Nanomaterialchemie
Die Nanomaterialchemie untersucht die Synthese, Struktur und größenabhängigen Eigenschaften von Materialien mit mindestens einer Dimension im Nanometerbereich, wo Quantenconfinement und ein sehr hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis ein Verhalten hervorrufen, das sich von dem des Bulk-Materials unterscheidet.
Definition
Die Nanomaterialchemie ist die Untersuchung, wie Größe, Form und Oberflächenchemie nanoskaliger Materialien durch Synthese gesteuert werden und wie sie zu Eigenschaften – optischen, elektronischen und katalytischen – führen, die sich von denen des entsprechenden Bulk-Festkörpers unterscheiden.
Scope
Dieser Bereich umfasst die chemischen Prinzipien der Materie auf der Nanoskala: nulldimensionale Quantenpunkte und Nanokristalle, deren optische Eigenschaften von der Größe abhängen; zweidimensionale Schichten wie Graphen und Übergangsmetalldichalkogenide; die kolloidale und lösungsphasige Synthese von Nanopartikeln und deren Anordnung zu geordneten Überstrukturen; sowie die weichchemischen, Sol-Gel- und Templatrouten, die zum Aufbau nanostrukturierter Festkörper verwendet werden. Dabei wird die Größe und Form stets mit der elektronischen, optischen und katalytischen Funktion verknüpft.
Sub-topics
Core questions
- Warum ändern sich Materialeigenschaften, wenn ein Festkörper auf Nanometerdimensionen reduziert wird?
- Wie werden Nanokristalle, Nanoschichten und Nanopartikel mit kontrollierter Größe und Form synthetisiert?
- Wie verändert die Dominanz von Oberflächenatomen die Chemie auf der Nanoskala?
- Wie können nanoskalige Bausteine zu funktionalen Architekturen zusammengefügt werden?
Key concepts
- Quantenconfinement
- Oberflächen-Volumen-Verhältnis
- Kolloidale Nanokristallsynthese
- Form- und Facettenkontrolle
- Selbstorganisation von Nanostrukturen
- Oberflächenliganden und Capping-Agentien
Key theories
- Quantenconfinement in Nanokristallen
- Wenn ein Halbleiterkristall in seiner Größe mit dem Exziton vergleichbar wird, werden die elektronischen Niveaus diskret und die effektive Bandlücke verbreitert sich mit abnehmender Größe, sodass optische Absorption und Emission einfach durch Änderung der Partikelgröße abgestimmt werden können.
- Form- und Oberflächenkontrolle von Nanokristallen
- Die Eigenschaften von Nanokristallen hängen nicht nur von der Größe, sondern auch von der Form und den exponierten Kristallfacetten ab, die während der kolloidalen Synthese kinetisch durch Tenside und Wachstumsbedingungen gesteuert werden und das katalytische und plasmonische Verhalten bestimmen.
Clinical relevance
Die Nanomaterialchemie ist die Grundlage einer Vielzahl von Technologien: größenabstimmbare Quantenpunkte werden in Displays und der Biobildgebung eingesetzt, Nanopartikel mit großer Oberfläche dienen als Katalysatoren und Elektroden, und zweidimensionale Materialien werden für Elektronik, Sensoren und Membranen erforscht.
History
Die in den 1980er und 1990er Jahren erfolgte Erkenntnis, dass Halbleiter-Nanokristalle größenabhängige optische Eigenschaften aufweisen, kodifiziert in Alivisatos' Übersichtsarbeit von 1996, etablierte das Quantenconfinement als ein chemisch kontrollierbares Phänomen. Fortschritte in der kolloidalen Synthese ermöglichten dann eine präzise Kontrolle von Größe und Form, und die Isolierung von Graphen im Jahr 2004 eröffnete die Chemie der zweidimensionalen Materialien und erweiterte das Feld zur Disziplin der Nanochemie.
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- Warum verhält sich ein Nanopartikel anders als dasselbe Material im Bulk-Zustand?
- Auf der Nanoskala dominieren zwei Effekte: Ein großer Teil der Atome befindet sich an der Oberfläche, was die Reaktivität und Energetik verändert, und bei ausreichend kleinen Halbleitern sind die Elektronen quantenbegrenzt, was die Energieniveaus diskretisiert und optische und elektronische Eigenschaften im Vergleich zum Bulk verschiebt.
- Wie kann die Farbe von Quantenpunkten abgestimmt werden?
- Aufgrund des Quantenconfinements nimmt die effektive Bandlücke eines Halbleiter-Nanokristalls mit abnehmender Größe zu. Kleinere Punkte verschieben Absorption und Emission zu höherer Energie (blauer), sodass die Farbe einfach durch Kontrolle der Partikelgröße während der Synthese ausgewählt werden kann.