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Wie sich atompräzise Nanocluster aus molekularen Vorstufen zusammenbauen

Professur Koordinationschemie der TU Chemnitz veröffentlichte im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation ein „Very Important Paper“ in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie Int. Ed.“

Seit der famosen Rede des Nobelpreisträgers Richard P. Feynman “There’s Plenty of Room at the Bottom” am California Institute of Technology im Jahr 1959 hat sich das Feld der Nanowissenschaften zu einem der wichtigsten Forschungs- und Technologiefelder mit Anwendungen in vielen Bereichen entwickelt. In der Nanotechnologie spielen extrem kleine Objekte, sogenannte Nanopartikel, welche mindestens eine Dimension in der Größenordnung von unter 100 Nanometer aufweisen, eine entscheidende Rolle. „Es wurden weltweit zahlreiche Herstellungsmethoden für derartige Nanopartikel entwickelt, mit denen man Größe und Form der Partikel steuern kann, dennoch sind die fundamentalen Mechanismen, die auf molekularer Ebene in Lösung beim Wachstum der winzigen Teilchen ablaufen immer noch nicht im Detail ausreichend gut verstanden“, schätzt Prof. Dr. Michael Mehring, Inhaber der Professur Koordinationschemie an der Technischen Universität Chemnitz, ein.

Einem Konsortium von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der University of Copenhagen, des Brookhaven National Laboratory und der TU Chemnitz ist es nun gelungen, im Bereich der Metalloxidnanopartikel ein wenig Licht in das Dunkel dieser fundamentalen Prozesse zu werfen. Die gemeinsamen Studien basieren auf Modelverbindungen, die an der TU Chemnitz synthetisiert wurden, und neuartigen Analysemethoden, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Copenhagen entwickelt haben. Die aufwendigen Experimente wurden größtenteils mit Synchrotron-Strahlungsquellen unter Nutzung der Großforschungseinrichtungen DESY (Hamburg, Deutschland), Soleil (Saint-Aubin, Frankreich) and ESRF (Grenoble, Frankreich) durchgeführt und vom European Research Council im Programm „Horizon 2020“ und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

„Wir verfolgen bereits seit einigen Jahren das Ziel, ein tiefergehendes Verständnis der Nukleation und des Wachstums von atompräzisen Nanoclustern mit Hilfe von Bismut-Sauerstoff-Modellsystemen  zu erlangen. Dank der exzellenten Kooperation mit Expertinnen und Experten auf dem Gebiet der Nukleations- und Nanopartikelforschung, welches von Associate Professor Kirsten Marie Ørnsbjerg Jensen vom  Department of Chemistry and Nano-Science Center der University of Copenhagen geleitet wird, sind wir gut vorangekommen, auch wenn noch nicht alle fundamentalen Fragen geklärt sind,“ so Mehring. Zukünftig sei es wichtig, weitere grundlegende Schritte der Bildung von metalloxidischen Nanoclustern  zu verstehen, damit gezielt nanoskalige Miniobjekte mit definierten physikalischen und chemischen Eigenschaften für Anwendungen in Bereichen wie der Nanoelektronik, der Nanomedizin und für Nano-Energieanwendungen gezielt hergestellt werden können.

Nanotechnologie kommt ins Spiel, wenn sehr kleine Objekte, die 100.000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar, zur Anwendung kommen. „Um ein fundamentales Verständnis in diesem Bereich weiter aufzubauen, haben wir neue Techniken für die Kombination und automatisierte Analyse der in situ Pair Distribution Function Analysis und Small-Angle-X-ray Scattering Daten entwickelt und können nun molekulare Intermediate auf ihrem Weg zu atompräzisen Nanoclustern in Lösung verfolgen“, sagt Andy Anker, Doktorand an der University of Copenhagen. Zukünftig werden aber noch schnellere Analysemethoden mit ultraschnellen Diffraktionsmethoden benötigt.

Das internationale Team startete die Experimente bereits vor vier Jahren und dank des Durchhaltevermögens der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten die Ergebnisse nun publiziert werden und wurden als „Very Important Paper“ in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie Int. Ed.“, dem Aushängeschild der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCH), aufgenommen. Diese Zeitschrift ist eines der wichtigsten disziplinenübergreifenden peer-review Journale auf dem Gebiet der Chemie weltweit. Herausragende Beiträge werden auf Grundlage des Begutachtungsprozesses als „Very Important Paper“ eingestuft, wobei nur ca. fünf Prozent der Beiträge diese Auszeichnung erhalten. Zudem wurden den Autorinnen und Autoren die Gestaltung eines „inside covers“ für eine Ausgabe der Zeitschrift zugesprochen, um die Arbeit bildlich darzustellen.

„Die erfolgreichen internationale Kooperation und die Anerkennung der Arbeiten durch die Fachcommunity motivieren uns als beteiligte Wissenschaftler, weiterhin an kniffeligen Aufgabenstellungen zu arbeiten“, so Dr. Marcus Weber und Rico Thomas von der TU Chemnitz, welche beide an diesem langjährigen interdisziplinären Projekt mitgearbeitet haben.   

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Michael Mehring, Inhaber der Professur Koordinationschemie, Telefon 0371 531-21250, E-Mail michael.mehring@chemie.tu-chemnitz.de.

Veröffentlichung: Andy S. Anker, Dr. Troels Lindahl Christiansen, Dr. Marcus Weber, Dr. Martin Schmiele, Dr. Erik Brok, Emil T. S. Kjær, Dr. Pavol Juhás, Rico Thomas, Prof. Dr. Michael Mehring, Dr. Kirsten M. Ø. Jensen. Structural Changes during the Growth of Atomically Precise Metal Oxido Nanoclusters from Combined Pair Distribution Function and Small-Angle X-ray Scattering Analysis. Angewandte Chemie. 2021 - 60/37. S. 20407-20416. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103641

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202103641

Mario Steinebach
12.09.2021

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