Quantenchemie
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Kolloidchemisch hergestellte stark dotierte (entartete) halbleitende und oxidische Nanokristalle mit lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (DFG Forschungsprojekt)Das Auftreten sogenannter lokalisierter Oberflächenplasmonen (localized surface plasmon resonances, LSPRs) ist heutzutage ein wohlbekanntes und gut erforschtes Phänomen bei Edelmetallnanopartikeln. Aufgrund dieses faszinierenden physikalischen Effekts besteht eine Vielfalt an Forschungs- und Anwendungsgebieten wie z. B. der Nanooptik, Fluoreszenzverstärkung, oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie (SERS), plasmonbasierter Sensorik und vielem mehr. Jedoch bestehen bisher kaum Alternativen zu den Edelmetallmaterialien im Gebiet der LSPR aufweisenden Nanopartikel, was die Einsatzfähigkeit auf spezielle Bereiche des Spektrums einschränkt und mit hohen Materialkosten einhergeht. Um diesen Mangel anzugehen, hat das Projekt die Synthese und Charakterisierung einer neuen Klasse plasmonischer Nanokristalle zum Ziel, nämlich von stark dotierten Metalloxid- und Halbleiternanopartikeln mit plasmonischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck werden Synthesestrategien für stark selbst-dotierte Halbleiternanomaterialien wie Cu(2-x)Se entwickelt, ebenso wie Synthesestrategien zu stark dotierten Nanokristallen aus Zinkoxid und Zinnoxid. Weiterhin wird vor allem für diese neuen Materialien erwartet, dass die Kontrolle über die chemische und dielektrische Umgebung der Nanopartikel kritisch ist, um die plasmonischen Eigenschaften der Nanokristalle zu ändern oder zu stabilisieren. Daher wird eine Feinabstimmung der LSPR-Frequenzen durch die Entwicklung und Anwendung von postsynthetischen Bearbeitungsschritten wie z. B. Schalenwachstum oder Ligandenaustausch vorgenommen.Abschließend wird diese neue Art plasmonischer Nanopartikel im Hinblick auf die Möglichkeit untersucht, die bisher gängigen Goldnanopartikel (oder andere Edelmetallnanopartikel) in LSPR-basierten sensorischen Anwendungen zu ersetzen oder zu ergänzen. Ein positives Ergebnis würde zu einer alternativen (oder komplementären) Klasse plasmonischer Nanopartikel und somit zu einer neuen Nanopartikelfamilie für Anwendungen in plasmonbasierten Sensorsystemen führen.Leitung: PD Dr. Dirk Dorfs, Prof. Dr. Wolfgang ParakTeam:Jahr: 2013Förderung: DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft
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Nachwuchsgruppe BMBF NanoMatFuturMÜKoN (Materialien aus Überstrukturen maßgeschneiderter Kolloidaler Nanokristallbausteine)Leitung: Prof. Dr. rer. nat. Nadja-C. BigallTeam:Jahr: 2013Förderung: Bundesministerium für Bildung und ForschungLaufzeit: 4 Jahre
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Hannover School for Nanotechnology: Interdisziplinäre Ansätze für kleinste SensorenTeilprojekt Assembly-Architekturen von (halbleitenden, superparamagnetischen, plasmonischen, etc.) Nanokristallen im Rahmen der Graduiertenschule des Niedersächsischen Promotionsprogramms des Niedersächsischen Ministeriums für Wissenschaft und Kultur (MWK)Jahr: 2016Laufzeit: 3 Jahre
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Multikomponenten-Nanopartikelgele für photovoltaische AnwendungenFörderung durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst DAAD im Rahmen der Ausschreibung DAAD PPP mit Indien (mit dem DST) für eine Kooperation mit der Forschungsgruppe Prof. Sameer Sapra am IIT DelhiLeitung: Prof. Dr. rer. nat. Nadja-C. BigallTeam:Jahr: 2016Laufzeit: 2 Jahre
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Hohle und konkave kolloidale plasmonische Nanopartikel als größen- und formselektive Sensoren im NanometerbereichIm Rahmen dieses Projektes sollen kolloidale chemisch synthetisierte plasmonische Nanopartikel auf ihr Potenzial als größen- und formselektive Sensoren im Nanometerbereich in flüssiger Phase untersucht werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene plasmonische Nanopartikel synthetisiert. Bereits dieser reine Syntheseteil des Projekts wird über den Stand der Technik in der Nanopartikel-Synthese hinausgehen. Neben "normalen" plasmonischen Partikeln aus Edelmetallen sollen auch plasmonisch aktive Partikel aus hochdotierten (degenerativ dotierten) Halbleiter- oder Oxidmaterialien mit lokalisierten, im nahen Infrarotbereich abstimmbaren Oberflächenplasmonenresonanzen synthetisiert und mit den klassischen metallischen Nanopartikeln hinsichtlich ihrer sensorischen Eigenschaften verglichen werden. Die plasmonischen Partikel können einen Analyten entweder über Änderungen der Dielektrizitätskonstante der Umgebung oder über andere, spezifische Wechselwirkungen mit dem Analyten nachweisen. In Bezug auf den letztgenannten Punkt sollen insbesondere plasmonische Partikel mit konkaven oder zylindrischen Hohlräumen an der Partikeloberfläche synthetisiert werden, die größen- und formselektive Wechselwirkungen mit verschiedenen Analyten aufweisen können (siehe auch Schema für z.B. key lock like interactions), die schließlich durch eine Änderung der Resonanzfrequenz der lokalisierten Oberflächen-Plasmonresonanz dieser Partikel leicht nachweisbar sind.Leitung: PD Dr. Dirk Dorfs, Prof Dr. Detlef BahnemannTeam:Jahr: 2016Förderung: Hannover School of Nanotechnology
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Herstellung von Heterogelen aus Metall- und Metalloxidnanokristallen mittels Kryogelierverfahren für die Anwendung in der ElektrokatalyseSachbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zur Untersuchung von neuen porösen selbsttragenden Gelen aus Metall/Metalloxid (M/MO) Mischsystemen mittels Kryogelierverfahren bezüglich ihrer Eignung als ElektrokatalysatorenLeitung: Prof. Dr. rer. nat. Nadja-Carola BigallJahr: 2017Förderung: DFGLaufzeit: 3 Jahre
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Multikomponenten-Aerogele mit maßgeschneiderter Nano-, Mikro- & Makrostruktur (MAEROSTRUC)Im Rahmen des ERC Starting Grants werden Multikomponenten-Nanopartikelaerogele mittels Nano-, Mikro- und Makrostrukturierung so synthetisiert, dass neue physikochemische Eigenschaften entstehen, die weder die Nanopartikel noch die zugehörigen makroskopischen Feststoffmaterialien besitzenLeitung: Prof. Dr. rer. nat. Nadja-C. BigallTeam:Jahr: 2017Förderung: European Research Council (ERC)Laufzeit: 5 Jahre
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Plasmonische Nanokristalle und Multikomponentennanokristalle zur Aktivierung chemischer Reaktionen durch ultrakurze TemperaturpulseIm Rahmen dieses Projektes soll untersucht werden, wie sich ultraschnell aufgeheizte plasmonische Nanopartikel in kolloidaler Lösung auf ihre Umgebung und insbesondere auf in ihrer Umgebung ablaufende chemische Reaktionen auswirken. Plasmonische Nanopartikel können durch ultrakurze (Nanosekunden oder auch Pikosekunden) Laserpulse extrem schnell und extrem stark erwärmt werden. Plasmonische Nanopartikel besitzen hierbei einige einmalige Eigenschaften: Ihre Extinktionskoeffizienten sind extrem hoch und auch bei intensivster Laserbestrahlung tritt im Vergleich zu anderen Materialien kaum ein Ausbleicheffekt während des Laserpulses statt. Zudem lässt sich die spektrale Lage der Plasmonenresonanz durch Materialwahl sowie Größe und Form der Partikel praktisch beliebig einstellen. Als Konsequenz können solche plasmonischen Nanopartikel sogar durch einzelne Pikosekundenlaserpulse um über 1000°C erwärmt werden; zunächst ohne dass ihre Umgebung miterwärmt wird. In diesem Projekt sollen die Auswirkungen solcher extrem kurzer und extrem stark lokalisierter Temperaturspitzen auf den Ablauf chemischer Reaktionen von Reaktanten, die sich ebenfalls in den kolloidalen Lösungen solcher Nanopartikel befinden, untersucht werden.Hierfür werden zunächst geeignete plasmonische Nanopartikel hergestellt, wobei neben klassischen Edelmetallnanopartikeln auch entartet dotierte Halbleiterpartikel mit Plasmonenresonanzen im nahen infraroten Spektralbereich hergestellt werden. Ebenfalls werden Multikomponentenpartikel hergestellt, welche aus einem plasmonischen Teil zum schnellen Aufheizen unter Laserbestrahlung und einem weiteren Teil aus einem katalytisch aktiven Material bestehen. Die durch den Laserpuls im plasmonischen Partikel erzeugte Wärme wird auf den katalytisch aktiven Part übertragen und an dessen Oberfläche läuft dann eine chemische Reaktion ab. Verschiedene einfache chemische Reaktionen, die entweder direkt an der Oberfläche der schnell aufheizbaren Nanopartikel oder in ihrer unmittelbaren Umgebung in Lösung ablaufen, werden untersucht. Die Bedingungen werden dabei so gewählt, dass makroskopisch praktisch keine Erwärmung der Lösung auftritt und nur extrem kurze und extrem stark lokalisierte Temperaturspitzen auftreten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden Rückschlüsse darauf zulassen, wie die Wärmeleitung in Lösungen auf extrem kurzen Zeitskalen und über sehr kurze Abstände verläuft, wobei hier auch solche Szenarien von besonderem Interesse sind bei den die Partikeltemperatur direkt nach dem Temperaturpuls deutlich über der Siedetemperatur des Lösungsmittels liegt, da solche Szenarien auf makroskopische Größenskala nicht realisiert werden können.Leitung: PD Dr. Dirk Dorfs, Prof. Dr. Carsten ReinhardTeam:Jahr: 2017Förderung: DFG Deutsche ForschungsgemeinschaftLaufzeit: 3 Jahre
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Exzellenzcluster PhoenixD - Photonics, Optics, Engineering, Innovation across DisciplinesPhoenixD ist eine breit angelegte, disziplinübergreifende Initiative, um Design und Herstellung von Präzisionsoptik neu zu definieren. Sie beruht auf der Verwebung von Optikdesign, Optiksimulation und modernen Produktionsmethoden zu einer einzigen integrierten Plattform, mit der individuelle und hochfunktionelle präzisionsoptische Systeme entworfen und hergestellt werden sollen.Leitung: Prof. Dr. Uwe Morgner, Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kowalsky, Teilprojektleitung: Prof. Dr. Nadja BigallJahr: 2019Förderung: DFGLaufzeit: 7 Jahre
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Schwerpunktprogramm 2005 "Opus Fluidum Futurum – Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme"Analyse von zeitvarianten nano- und mikroskopischen Mechanismen zur Modellierung der meso- und makroskopischen Trennungsstabilität von Beton aufgrund von Vibration: Projekt innerhalb des Schwerpunktprogramms 2005 "Opus Fluidum Futurum - Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme"Leitung: Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine, Teilprojektleitung: Prof. Dr. rer. nat. Nadja BigallJahr: 2018Förderung: DFGLaufzeit: 3 Jahre
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Theoretische Beschreibung der elektrischen Detektierung von DNA-Nukleotiden in Graphen/h-BN-Heterostrukturen unter Verwendung von Hochleistungs-Quantenchemie-MethodenDas Ziel des aktuellen Projekts ist es, Nanostrukturen zu entwickeln, mit denen die Detektion von Biomolekülen, speziell von DNA-Nukleotiden möglich ist. Die Nanostrukturen basieren auf Graphen und auf hexagonalem Bornitrid (h-BN). Gezieltes Design soll zu Heterostrukturen führen, die maßgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Zur Anwendung kommen in dem beantragten Projekt Ab-Initio-Moleküldynamik-Methoden (AIMD). Die grundlegende Idee bei Ab-Initio-Methoden ist es, ausgehend von den elementaren physikalischen Gleichungen und den relevanten Naturkonstanten ohne weitere Verwendung experimenteller Daten beliebige molekulare Strukturen zu beschreiben. Basis ist hierbei die zeitunabhängige Schrödingergleichung als die zentrale quantenmechanische Gleichung. Die erfolgreichste Näherung zur Lösung der Schrödingergleichung für Vielelektronenprobleme ist die Dichtefunktionaltheorie. Beliebige Materie besteht aus vielen Elektronen und vielen Atomkernen. Für die ausgedehnte Elektronenwolke wird also Dichtefunktionaltheorie verwendet, während für die auf der Nanometerskala punktförmigen Atomkerne einfach Newtondynamik verwendet wird. Der resultierende Ansatz nennt sich Ab-Initio-Moleküldynamik (AIMD), eine besonders effiziente Variante von AIMD ist Car-Parrinello-Moleküldynamik (CPMD). Wie wir und viele andere in vielen vorausgehenden Simulationen gezeigt haben, ist dieser Ansatz optimal geeignet, um nicht nur komplexe Strukturen bei endlicher Temperatur zu modellieren, sondern auch um chemische Reaktionen zu beschreiben. Im vorliegenden Projekt soll die Methodik nun auf die Kombination von Bio- und Nanostrukturen angesetzt werden.Leitung: Prof. Dr. FrankTeam:Jahr: 2020Förderung: BMBFLaufzeit: 2 Jahre
