1,1 Millionen Euro für die Erforschung von Nano- und Mikropartikeln in Plasmen

Was passiert, wenn man winzige Partikel in ein Plasma, also ein ionisiertes Gas oder Gasentladungen einbringt bzw. dort erzeugt? Diese Frage wird zurzeit intensiv untersucht. Zum einen sind viele grundlegende Fragen in diesem Forschungsfeld noch ungeklärt, etwa die Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörperoberflächen.

Zum anderen basieren zahlreiche technologische Anwendungen auf Nano- und Mikroteilchen, zum Beispiel verbesserte Katalysatoren für chemische Reaktionen, Elektroden für wieder aufladbare Batterien mit sehr hoher Kapazität oder neue Generationen von Solarzellen oder LEDs.

Mit insgesamt 1,1 Millionen Euro fördert jetzt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gleich drei Forschungsprojekte in der Plasmaphysik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die die Wechselwirkung von Plasmen mit jeweils unterschiedlich großen Partikeln erforschen.

Oft sind es insbesondere die kleinen Partikel, die ein großes technologisches Potenzial haben. „Ihren Geheimnissen wollen wir mit modernsten Messmethoden auf die Spur kommen“, fasst Professor Jan Benedikt vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik das Forschungsthema zusammen.

Mit den kürzlich bewilligten Projekten will er gemeinsam mit Professor Dietmar Block und Dr. Franko Greiner aus der Arbeitsgruppe Experimentelle Plasmaphysik in die noch wenig untersuchte Welt der Wechselwirkung von Plasmen und mikroskopisch kleinen Oberflächen vordringen.

Die Größe der zu untersuchenden Partikel reicht von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. „Obwohl die Partikel unterschiedlich groß sind, hoffen wir, grundlegende Prozesse identifizieren zu können, die auf allen Größenskalen eine Rolle spielen und bei der Entwicklung neuartiger Materialien helfen“, so Benedikt.

Die geförderten Projekte wurden zusammen mit Professor Franz Faupel vom Institut für Materialwissenschaft und Professor Sebastian Wolf vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik beantragt.

Sie sind Teil des Forschungsschwerpunkts Kiel Nano Surface and Interface Science (KiNSIS), der an der CAU die Forschung zu Nanowissenschaften und Oberflächen bündelt. Die neuen Forschungsvorhaben bauen teilweise auf Erkenntnissen zu Partikeln in Plasmen auf, die bereits im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TR24 „Grundlagen komplexer Plasmen“ an der CAU gewonnen wurden.

Partikel gezielt beeinflussen

Im Projekt „Veränderung von Größe und Morphologie von Mikropartikeln in Plasmen“ untersucht ein Forschungsteam um Professor Dietmar Block mikroskopische Partikel und deren Oberflächenveränderungen, um diese zukünftig gezielt beeinflussen zu können.

„Dank einer in Zusammenarbeit mit Dr. Franko Greiner neu entwickelten Diagnostik können wir jetzt die Oberflächenveränderungen live mit einer Genauigkeit von einem millionstel Millimeter beobachten“, skizziert Block das Vorhaben. Die zugrundeliegende Messmethode wurde bereits vom Fachjournal Physics of Plasmas als Forschungshighlight gewürdigt.

Nanostaub dicht wie Nebel

Nicht einzelne Partikel, sondern ausgedehnte Nanostaubwolken untersuchen Dr. Franko Greiner und Professor Sebastian Wolf in dem Projekt „Staubige Plasmen mit hoher Elektronenverarmung: Untersuchung fundamentaler Mechanismen und Eigenschaften mittels Teilchen- und Plasmadiagnostik“.

„Wir wollen Veränderungen von Plasmen untersuchen, in denen der Nanostaub dicht wie Nebel wird und fast alle freien Elektronen verschwunden sind. Diese ‚Ionen-Staub‘-Plasmen haben ganz neue Eigenschaften, die bisher kaum verstanden werden“, erklären die Wissenschaftler.

Um sie zu untersuchen und ihr technologisches Potenzial zu bewerten, braucht es neue Diagnostikmethoden. Hierzu sollen Simulationsverfahren zum Einsatz kommen, die in Wolfs Arbeitsgruppe entwickelt und bereits erfolgreich zur Untersuchung interstellarer Materie verwendet werden.

Anwendungspotential für Sensoren, Solarzellen, Batterien

Besonderes technologisches Potenzial steckt in den Nanopartikeln, die Benedikt und Faupel im Projekt „In-situ-Analyse plasmainduzierter Materialmodifikationen an Nanopartikeln für funktionelle Anwendungen“ untersuchen wollen. Denn bei einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern ändern sich die elektronischen und optischen Eigenschaften von Partikeln, die in diesem Zustand auch als Quantenpunkte bezeichnet werden.

Zusätzlich werden sie stark vom Zustand der Oberfläche der Teilchen beeinflusst. Die plasmainduzierten Änderungen von Halbleiter- und Metallteilchen will das Forschungsteam mittels optischer Absorptionsmethoden in-situ, also in Echtzeit während der Plasmabehandlung, bestimmen und analysieren. „Die gewonnenen Ergebnisse könnten den Weg zu Anwendungen in Sensoren, Solarzellen, Batterien oder als Katalysatoren ebnen“, vermutet Faupel.

Zu den DFG-geförderten Projekten aus der Kieler Plasmaphysik gehören außerdem die Aktivitäten zur Modifizierung von Nano- und Mikropartikeln in der AG von Professor Holger Kersten am Institut für experimentelle Physik, der gemeinsam mit Professor Lorenz Kienle von der Technischen Fakultät im Projekt „Neue Instrumente für in-operando-TEM: Plasmamodifikation live“ (Fördervolumen rund 400.000 Euro) die involvierten Elementarprozesse untersucht.

Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/254-Plasmaphysik-1.jpg
Bildunterschrift: In der Plasmakammer erzeugt und behandelt Doktorand Oguz Han Asnaz Nanoteilchen © AG Benedikt

Kontakt:
Prof. Dr. rer. nat. Jan Benedikt
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Arbeitsgruppe „Experimentelle Plasmaphysik“
Telefon: 0431/880-3879
E-Mail: benedikt@physik.uni-kiel.de

Julia Siekmann
Wissenschaftskommunikation
Forschungsschwerpunkt Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS)
Universität Kiel
Telefon: 0431/880-4855
E-Mail: jsiekmann@uv.uni-kiel.de
Web: http://www.kinsis.uni-kiel.de

Forschungsschwerpunkt KiNSIS:
Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf http://www.kinsis.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de Internet: www.uni-kiel.de Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni Instagram: www.instagram.com/kieluni

Prof. Dr. rer. nat. Jan Benedikt
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Arbeitsgruppe „Experimentelle Plasmaphysik“
Telefon: 0431/880-3879
E-Mail: benedikt@physik.uni-kiel.de

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/254-plasmaphysik/