Ionenspurmembranen und Nanomaterialien
Zur Herstellung der Membranen werden Polymerfolien (PC, PET, PI etc.) mit energiereichen Schwerionen bestrahlt, die diese durchdringen und entlang ihrer Wegstrecken zylindersymmetrische Schadenszonen hinterlassen. Durch Ätzung können die Ionenspuren selektiv entfernt werden. Die Gestalt und Größe der so erhaltenen Poren oder Kanäle sind durch Wahl der Reaktionsbedingungen steuerbar.
Metallische Nanodrähte und -röhren
In einem weiteren Prozeßschritt werden die Nanokanäle galvanisch mit Metallen (Cu, Pt, Au etc.) gefüllt, so dass Nanodrähte entstehen. Die Nanodrähte können durch Auflösen des Polymertemplates freigesetzt werden. Untersucht werden neben morphologischen Kenngrößen wie Oberflächentopographie, Mikrostruktur und Kristallinität Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität. Die Drähte zerfallen beim Erhitzen deutlich unterhalb des Festkörperschmelzpunkts zu einer Kette von Kugeln (Rayleigh-Instabilität); dieser Effekt wird eingehend untersucht.
Metallische Strukturen können auch stromfrei erzeugt werden Um Oberflächenselektivität herzustellen, wird die Polymermembran in einem Vorschritt zunächst mit Metall-Nanopartikeln bedeckt. In der nachgelagerten autokatalytischen Reaktion eines Metallsalzes mit einem chemischen Reduktionsmittel wird ausgehend von diesen Keimen elementares Metall abgeschieden. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich polykristalline Drähte oder Röhren.
Diese Strukturen zeigen ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie etwa Plasmonresonanz oder ein gegenüber massiven Materialien gesteigertes Katalysepotenzial. Forschungsschwerpunkte sind die Beeinflussung morphologischer Parameter, die Korrelation von Struktur und Eigenschaften sowie die Feinsteuerung und Nutzung derselben in Folgeexperimenten. Mögliche Einsatzgebiete liegen z.B. im Bereich der Katalyse, Stofftrennung oder Sensorik.
Oxidische Nanodrähte und –röhren, Dünnfilme
Alternativ werden die Ionenspurtemplate auf verschiedenen Wegen mit Metalloxiden gefüllt. Der Fokus liegt hierbei auf Funktionsmaterialien (z.B. halbleitende oder magnetische Oxide), deren Charakteristika sie für Fragestellungen der Elektroanalytik, der heterogenen Katalyse oder der Photonik besonders qualifizieren. Wie bei den anderen Nanostrukturen kommen in der Charakterisierung neben spezifischen Experimenten vor allem REM, TEM und XRD zum Einsatz.
Die vorgestellten Templatsynthesen sind nicht auf Röhren- oder Drahtstrukturen beschränkt. Sie lassen sich mit beliebig geformten Polymeroberflächen durchführen und können daher z.B. auch für die Herstellung von Dünnfilmen genutzt werden.
Selbstgestützte und hybride Nano-Architekturen
Wenn niedrigdimensionale metallische Nanostrukturen als einzelne Nanostrukturen eingesetzt werden, erweisen sie sich als schwierig zu handhaben und anzuordnen, da sie vergleichsweise mobil sind (was ihren Verlust oder ihre Freisetzung in die Umwelt begünstigt), und aufgrund ihrer winzigen Größe nur schwach mit ihrer Umgebung wechselwirken.
Durch die Kombination hunderter Millionen bis Milliarden solcher nanoskaliger Bausteine erzeugen wir freistehende, dreidimensionale Architekturen, die die günstigen Eigenschaften ihrer Bausteine durch die Vorteile einer geordneten Überstruktur ergänzen. Diese umfassen z.B. eine erhöhte mechanische Stabilität, eine hohe Nanostruktur-Dichte, dreidimensional durchgängige Leitungs- und Diffusionspfade, hohe Porosität, und eine vereinfachte makroskopische Handhabung. Beispielsweise haben wir gezeigt, dass Netzwerke aus metallischen Nanodrähten und -röhren als hochaktive und haltbare Heterogenkatalysatoren oder als empfindliche und selektive Sensoren eingesetzt werden können.
In diesem Zusammenhang nutzen wir die Ionenspurtechnologie, um Templatmembranen für die Abscheidung komplexer dreidimensionaler Nano-Architekturen zu erstellen. Hierbei streben wir eine Kontrolle sowohl der Nanostruktur als auch der Zusammensetzung der erhaltenen Materialien an. Während die Flächendichte, Anordnung, Größe und allgemeine Form unserer nanoskaligen Baueinheiten durch die Herstellungsbedingungen unserer Template vorgegeben werden, erlaubt die Wahl geeigneter Abscheidungs- oder Modifizierungsreaktionen die Einstellung der Zusammensetzung und Feinstruktur. Zusammengenommen eröffnen beide Teilaspekte einen umfassenden Parameterraum für die Optimierung der Materialeigenschaften.
Neben templatbasierten Ansätzen erforschen wir synthetische Konzepte, die es z.B. durch Symmetriebrechung und gerichtetes Kristallwachstum ermöglichen, anisotrope Nanostrukturen direkt auf beliebige Oberflächen aufwachsen zu lassen. Während die so erhaltenen Strukturen zu einer geringeren Einheitlichkeit neigen, ist ihre Herstellung einfach und leicht zu skalieren. Solche Reaktionen sind zwar nicht auf Template angewiesen, können aber auf sie angewandt werden, um strukturell noch anspruchsvollere Produkte zu realisieren.