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Nanomaterialien

Zusammenhang zwischen spezifischer Oberfläche und Partikelgröße, Schmelzpunkterniedrigung von Nanopartikeln, Struktur und Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, Quantenpunkte, Syntheseverfahren für Nanopartikel, Agglomeration und Dispergierung sowie die spezifische Oberfläche nach BET mit Multiple-Choice-Fragen prüfen. Auch die Rechenaufgaben sind erläutert.

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Nanomaterialien: das Wichtigste

Je kleiner die Partikel werden, desto größer wird die spezifische Oberfläche: Sie steigt umgekehrt proportional zur Partikelgröße und lässt sich für Kugeln mit S = 6/(ρd) abschätzen. Mit wachsendem Anteil der Oberflächenatome wirkt sich die Oberflächenenergie auf die Eigenschaften des gesamten Materials aus, und der Schmelzpunkt metallischer Nanopartikel sinkt unter den des Volumenmaterials. In Halbleiter-Quantenpunkten vergrößert der Quanteneinschluss die effektive Bandlücke, sodass sich die Emissionsfarbe über die Partikelgröße einstellen lässt. Typische Beispiele beim Kohlenstoff sind Graphen und die Kohlenstoffnanoröhre, ein zu einer Röhre aufgerolltes Graphen.

Nanopartikel werden im Top-down-Verfahren durch Zerkleinern oder Abtragen größerer Materialien oder im Bottom-up-Verfahren durch den Aufbau aus Atomen und Molekülen über Keimbildung und Wachstum hergestellt. Der Schlüssel zu einheitlichen Partikelgrößen ist, die Keimbildung auf eine kurze Zeitspanne zu konzentrieren. Die entstandenen Partikel agglomerieren leicht, weshalb die Dispersion durch Oberflächenladung oder Dispergiermittel stabilisiert wird. Die spezifische Oberfläche misst man mit der BET-Methode; der Vergleich mit der Primärpartikelgröße aus dem TEM und der Partikelgröße in der Flüssigkeit zeigt, wie stark die Partikel agglomeriert sind.

Alle Fragen zum Thema „Nanomaterialien“ (12)
  1. Kugelförmige TiO₂-Nanopartikel mit 20 nm Durchmesser (Dichte 4,0 g/cm³) seien alle gleich groß und vollständig vereinzelt dispergiert. Welcher Wert kommt der Oberfläche je 1 g Pulver (spezifische Oberfläche) am nächsten?
  2. Nanopartikel aus Metallen wie Gold oder Zinn schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur als das kompakte Metall, wenn die Partikelgröße auf wenige nm sinkt. Was ist die Hauptursache dieser Schmelzpunkterniedrigung?
  3. Der Schmelzpunkt kugelförmiger Metallnanopartikel lasse sich mit dem Durchmesser d durch Tm(d) = Tm∞(1 − β/d) annähern. Der Schmelzpunkt von kompaktem Gold sei Tm∞ = 1337 K, und für β werde als angenommener Modellwert 1,0 nm gesetzt. Welcher Wert kommt dem Schmelzpunkt eines Goldnanopartikels mit 5,0 nm Durchmesser am nächsten?
  4. Die elektronischen Eigenschaften einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre werden durch die chiralen Indizes (n, m) bestimmt, die angeben, in welcher Richtung das Graphen aufgerollt ist: Ist n − m ein Vielfaches von 3, ist die Röhre metallisch, andernfalls halbleitend. Welche der folgenden Röhren ist metallisch?
  5. Der Durchmesser einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre ist mit der Gitterkonstante von Graphen a = 0,246 nm durch d = a√(n² + nm + m²)/π gegeben. Welcher Wert kommt dem Durchmesser einer Nanoröhre mit den chiralen Indizes (10, 10) am nächsten?
  6. Welche Aussage über Struktur und Eigenschaften von Graphen trifft zu?
  7. Für einen CdSe-Quantenpunkt (Bandlücke des kompakten Materials 1,74 eV) werde ein einfaches Modell angenommen, in dem der Energiezuwachs durch den Einschluss umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius R ist; bei R = 3,0 nm betrage er 0,30 eV. Welcher Wert kommt der effektiven Bandlücke eines Quantenpunkts mit R = 2,0 nm am nächsten? Die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch wird vernachlässigt.
  8. Herstellungsverfahren für Nanomaterialien werden in Top-down-Verfahren, bei denen größeres Material zerkleinert wird, und Bottom-up-Verfahren, bei denen Atome oder Moleküle zusammengefügt werden, eingeteilt. Welches der folgenden Verfahren ist ein Bottom-up-Verfahren?
  9. Warum lassen sich mit dem Hot-Injection-Verfahren (bei dem die Vorstufen auf einmal in ein heißes Lösungsmittel eingespritzt werden) leicht Nanopartikel einheitlicher Größe (monodisperse Nanopartikel) erhalten?
  10. Welche Maßnahme ist geeignet, um zu verhindern, dass in Wasser dispergierte Oxidnanopartikel agglomerieren und sich absetzen?
  11. Welche Aussage beschreibt das Prinzip der BET-Methode zur Messung der spezifischen Oberfläche von Pulvern richtig?
  12. Bei einem Aluminiumoxid-Nanopulver betrug der im TEM beobachtete Durchmesser der Primärpartikel etwa 30 nm, und auch die aus der BET-Oberfläche unter Annahme von Kugeln berechnete Partikelgröße lag bei etwa 30 nm. Die mittlere Partikelgröße, die nach dem Dispergieren in Wasser mit dynamischer Lichtstreuung gemessen wurde, betrug dagegen etwa 400 nm. Welche Deutung dieses Ergebnisses ist am zutreffendsten?

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