Pulslaserinduziertes Heizen von kolloidal dispergierten Nanopartikeln und Nanopartikelüberstrukturen

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Daniel Kranz

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Details

Original languageGerman
QualificationDoctor rerum naturalium
Awarding Institution
Supervised by
  • Dirk Dorfs, Supervisor
Thesis sponsors
  • Konrad Adenauer Foundation (KAS)
Date of Award16 Nov 2023
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2023

Abstract

Due to their unique optical properties, nanoparticles are well suited for heating by laser radiation. Because of their absorption properties in the range of the laser wavelength and the simultaneous optical transparency of the surrounding solvent, selective heating of colloidal particles is possible while the surrounding laser-transparent medium remains near room temperature. This method allows heating of colloidally dispersed nanoparticles directly in solution well above the melting point, which is not possible in conventional ways due to the limitation imposed by the boiling point of the solvent. Due to its simplicity, laser treatment is an excellent extension to wet-chemical nanoparticle synthesis. In this work, laser-induced thermal processes were investigated in different particle systems, from single-material to hetero particles and nanoparticle superstructures. Starting from simple melting processes of anisotropic noble metal particles, a reductive phase transition of colloidal copper(II) oxide nanoparticles could also be induced by laser. Besides the principal possibility of this process, a threshold of a minimum particle size could be approximately determined. Futhermore, a homogenious alloy formation of Au-Cu hetero nanoparticles could be achieved by laser-induced heating processes. By combining the strengths of wet-chemical synthesis and subsequent isochoric laser-induced alloy formation, the possibility of composition-control was demonstrated. In addition, it was shown that nanoparticles embedded in a laser-transparent silica shell can operate as an indirect heating element, providing evidence for thermal crystallization of the amorphous shell. Finally, nanoparticles cryogels (nanoparticle networks) were also investigated for the principal possibility of laser-induced heating processes as well as the preservation of the microscopic and fine porous structure. All these results demostrate both the diverse possibilities of laser-induced heating processes of nanoparticles and their potential universal applicability to a wide range of possible particle systems.

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Pulslaserinduziertes Heizen von kolloidal dispergierten Nanopartikeln und Nanopartikelüberstrukturen. / Kranz, Daniel.
Hannover, 2023. 172 p.

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title = "Pulslaserinduziertes Heizen von kolloidal dispergierten Nanopartikeln und Nanopartikel{\"u}berstrukturen",
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author = "Daniel Kranz",
year = "2023",
doi = "10.15488/15570",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

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TY - BOOK

T1 - Pulslaserinduziertes Heizen von kolloidal dispergierten Nanopartikeln und Nanopartikelüberstrukturen

AU - Kranz, Daniel

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Nanopartikel eigenen sich aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften hervorragend für das Heizen mittels Laserstrahlung. Durch ihre Absorptionseigenschaften im Bereich der Laserwellenlänge und einer gleichzeitigen optischen Transparenz des umgebenden Lösungsmittels, ist ein selektives Erhitzen kolloidaler Partikel möglich, wohingegen das umgebende lasertransparente Medium nahe Raumtemperatur verbleibt. Diese Methode ermöglicht das Heizen kolloidal dispergierter Nanopartikel direkt in Lösung weit über den Schmelzpunkt hinaus, was auf konventionelle Weise aufgrund der Limitierung durch den Siedepunkt des Lösungsmittels nicht möglich ist. Aufgrund ihrer Einfachheit stellt die Laserbehandlung eine exzellente Erweiterung zur nasschemischen Nanopartikelsynthese dar. In dieser Arbeit wurden laserinduzierte thermische Prozesse in unterschiedlichen Partikelsystemen, von Einmaterialpartikeln über Heteropartikel bis zu Nanopartikelüberstrukturen untersucht. Angefangen von einem einfachen Schmelzprozess anisotroper Edelmetallpartikel, konnte außerdem eine reduktive Phasenumwandlung kolloidaler Kupfer(II)oxidnanopartikel mit dem Laser induziert werden, wobei neben der prinzipiellen Möglichkeit dieses Verfahrens, zusätzlich ein Schwellenwert einer Mindestpartikelgröße näherungsweise ermittelt werden konnte. Außerdem konnte durch laserinduzierte Heizprozesse eine homogene Legierungsbildung von Au-Cu Heteronanopartikeln erreicht werden. Durch die Kombination der Stärken aus nasschemischer Partikelsynthese und anschließender isochorer laserinduzierter Legierungsbildung wurde darüber hinaus die Möglichkeit einer Zusammensetzungskontrolle dargestellt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Nanopartikel, eingebettet in eine lasertransparente Silikaschale, als indirektes Heizelement fungieren können, wodurch Hinweise auf eine thermische Kristallisation der amorphen Schale gewonnen werden konnten. Abschließend wurden außerdem Nanopartikelkryogele (Nanopartikelnetzwerke) auf die prinzipielle Möglichkeit eines laserinduzierten Heizprozesses, sowie der Erhaltung der mikroskopischen und feinporigen Struktur untersucht. All diese Ergebnisse zeigen sowohl die vielfältigen Möglichkeiten laserinduzierter Heizprozesse von Nanopartikeln, als auch ihre potentiell universelle Anwendbarkeit auf eine Vielzahl an möglichen Partikelsystemen.

AB - Nanopartikel eigenen sich aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften hervorragend für das Heizen mittels Laserstrahlung. Durch ihre Absorptionseigenschaften im Bereich der Laserwellenlänge und einer gleichzeitigen optischen Transparenz des umgebenden Lösungsmittels, ist ein selektives Erhitzen kolloidaler Partikel möglich, wohingegen das umgebende lasertransparente Medium nahe Raumtemperatur verbleibt. Diese Methode ermöglicht das Heizen kolloidal dispergierter Nanopartikel direkt in Lösung weit über den Schmelzpunkt hinaus, was auf konventionelle Weise aufgrund der Limitierung durch den Siedepunkt des Lösungsmittels nicht möglich ist. Aufgrund ihrer Einfachheit stellt die Laserbehandlung eine exzellente Erweiterung zur nasschemischen Nanopartikelsynthese dar. In dieser Arbeit wurden laserinduzierte thermische Prozesse in unterschiedlichen Partikelsystemen, von Einmaterialpartikeln über Heteropartikel bis zu Nanopartikelüberstrukturen untersucht. Angefangen von einem einfachen Schmelzprozess anisotroper Edelmetallpartikel, konnte außerdem eine reduktive Phasenumwandlung kolloidaler Kupfer(II)oxidnanopartikel mit dem Laser induziert werden, wobei neben der prinzipiellen Möglichkeit dieses Verfahrens, zusätzlich ein Schwellenwert einer Mindestpartikelgröße näherungsweise ermittelt werden konnte. Außerdem konnte durch laserinduzierte Heizprozesse eine homogene Legierungsbildung von Au-Cu Heteronanopartikeln erreicht werden. Durch die Kombination der Stärken aus nasschemischer Partikelsynthese und anschließender isochorer laserinduzierter Legierungsbildung wurde darüber hinaus die Möglichkeit einer Zusammensetzungskontrolle dargestellt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Nanopartikel, eingebettet in eine lasertransparente Silikaschale, als indirektes Heizelement fungieren können, wodurch Hinweise auf eine thermische Kristallisation der amorphen Schale gewonnen werden konnten. Abschließend wurden außerdem Nanopartikelkryogele (Nanopartikelnetzwerke) auf die prinzipielle Möglichkeit eines laserinduzierten Heizprozesses, sowie der Erhaltung der mikroskopischen und feinporigen Struktur untersucht. All diese Ergebnisse zeigen sowohl die vielfältigen Möglichkeiten laserinduzierter Heizprozesse von Nanopartikeln, als auch ihre potentiell universelle Anwendbarkeit auf eine Vielzahl an möglichen Partikelsystemen.

U2 - 10.15488/15570

DO - 10.15488/15570

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -