Nanomaterialien & Streumethoden (O. Paris)
Die Arbeitsgruppe Nanomaterialien und Streumethoden beschäftigt sich mit der Physik von nanostrukturierten Materialien. Die aktuellen Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf Experimente und Simulationen zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in komplexen Systemen wie z.B. hierarchische biologische und biomimetische Systeme, nanostrukturierte Kohlenstoffe und Keramiken, und geordnete mesoporöse Materialien. Derzeit laufende Projekte umfassen die Themengebiete:
1. Adsorption & Phasenverhalten von Fluiden in begrenzter Geometrie von geordneten nanoporösen Materialien, insbesondere elastische Fluid-Festkörper Wechselwirkungen.
2. Hierarchische Pflanzengewebe als Gerüst bzw. als Gussform für neuartige nanostrukturierte anorganische Werkstoffe.
3. Struktur, Funktion und die Stabilität von amorphen Mineralien in biologischen Systemen.
4. Strukturelle und kristalline Eigenschaften von kolloidalen Nanoteilchen
5. Nanostruktur und nanomechanische Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien wie z.B. Kohlenstofffasern, pyrolisierte Zellulosegewebe und „Carbon Onions“.
Unser wichtigster experimenteller Ansatz basiert auf Streumethoden unter Einsatz von Synchrotronstrahlung. Wir entwickeln spezielle neue in-situ Methoden um Nanomaterialien "bei der Arbeit" zu beobachten, und wir wenden Rastertechniken mit Röntgen-Mikrostrahlen an, um die lokale Nanostruktur hierarchischer Materialien "abzubilden". Neben Röntgenmethoden setzen wir zusätzlich Neutronenstreuung, Raman- und Infrarotmikroskopie, sowie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie als komplementäre Methoden ein.
Mitarbeiter
Univ.-Prof. Dr. Oskar Paris
Gruppenleiter
Dr. Rainer T. Lechner
Senior Lecturer; Röntgenstreuung und -beugung (SAXS, WAXS, XRD, etc.) an Nanostrukturen, sowie kolloidalen Nanokristallen
Dr. Gerhard Popovski (Kooperationspartner I.,II., Projekt b.)
Postdoc; Thema: Hierarchisch strukturierte Keramiken aus Holz
Dipl. Ing. Roland Morak
Doktorand (Betreuer: O. Paris)
Dipl. Ing. Christian Prehal
Doktorand (Betreuer: O. Paris)
Dipl. Ing. Christian Koczwara
Doktorand (Betreuer: O. Paris)
Lukas Ludescher
Diplomand (Betreuer: R.T. Lechner, O. Paris)
Kooperationspartner
I. Abteilung Biomaterialien, Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Barbara Aichmayer, Ingo Burgert, Peter Fratzl)
II. Department für Werkstoffwissenschaften, Univ. Erlangen Nürnberg (Cordt Zollfrank)
III. Institut für Chemie, TU-Berlin (Gerhard Findenegg, Martin Schoen)
IV. Weizmann Institut, Israel (Steve Weiner, Lia Addadi)
V. Institut für Mechanik, MU Leoben (Dieter Fischer)
VI. Fakultät für Physik, Universität Wien (Herwig Peterlik)
VII. Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik, JKU Linz (Wolfgang Heiss)
VIII. Laboratory of Inorganic Chemistry, ETH Zürich, (Maksym Kovalenko)
Laufende Drittmittelprojekte
a. Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG Sfb 448: Mesoscopically organized Composites; Project B14: Wall deformation in mesoporous materials during capillary condensation of fluids (2006-2009).
b. Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials; Teilprojekt: Hierarchically structured porous ceramics from nanocasting of plant cell walls (2009-2011).
Beispiele aktueller Wissenschaft
Example 1:
We reveal the existence of two different crystalline phases, i.e., the metastable rock salt and the equilibrium zinc blende phase within the CdS-shell of PbS/CdS core/shell nanocrystals formed by cationic exchange. The chemical composition profile of the core/shell nanocrystals with different dimensions is determined by means of anomalous small-angle X-ray scattering with subnanometer resolution and is compared to X-ray diffraction analysis. The highest emission was achieved for chemically pure CdS shells below 1 nm thickness with a dominant metastable rock salt phase fraction matching the crystal structure of the PbS core. The photoluminescence intensity depicts a constant decrease with decreasing metastable rock salt phase fraction but shows an abrupt drop for shells above 1.3 nm thickness. We relate this effect to two different transition mechanisms for changing from the metastable rock salt phase to the equilibrium zinc blende phase depending on the shell thickness. (R.T. Lechner, G. Fritz-Popovski, M. Yarema, W. Heiss, A. Hoell, T.U. Schülli, D. Primetzhofer, M. Eibelhuber, and O. Paris, Chem. Mater., ASAP (2014), DOI: 10.1021/cm502521q)
Example 2:
Wood is a hierarchical composite, consisting at its lowest hierarchy level of crystalline cellulose elementary fibrils with diameters of 2-4 nm embedded in a matrix of hemicelluloses and lignin. At the micrometer scale, it has a cellular architecture resembling a honeycomb structure. The transformation of the hierarchical wood structure into a silica replica has been reported recently. Its formation process and structural details are studied in this contribution. First, a silica/biopolymer composite is prepared by wood delignification and cell-wall modification, followed by silica precursor infiltration and condensation. The calcination process is monitored in-situ by small-angle x-ray scattering (SAXS) to gain insight into the structure development upon decomposition of the biopolymers. The material changes its architecture gradually from fibrillar structures of 10-20 nm in diameter with homogeneous electron density, into fibrils of 8-10 nm in diameter with inhomogeneous electron density, exhibiting internal sub-fibrillar structures of about 2 nm in diameter. Structural modeling of the SAXS data suggests that first the hemicelluloses are degraded at 250-300 °C, leaving a composite of amorphous silica fibrils with embedded cellulose elementary fibrils. At 350-450 °C the cellulose elementary fibrils disintegrate, leaving nanometer sized cylindrical parallel pores within the silica fibrils. Hence, this work demonstrates for the first time the steps of the successful replication of the cellulose elementary fibrils into nanopores of similar diameter and orientation in a fibrillar silica matrix. These nanopore replicas of the original cellulose are wound in a steep helix within the macropore walls. Besides a large potential of these advanced materials for lightweight structural applications, the nanopores might also be advantageous for molecular separation applications. (Fritz-Popovski, G.; Van Opdenbosch, D.; Zollfrank, C.; Aichmayer, B. & Paris, O. Development of the Fibrillar and Microfibrillar Structure During Biomimetic Mineralization of Wood Advanced Functional Materials, 2012, 23, 1265-1272 (DOI: 10.1002/adfm.201201675))
Beispiel 3:
Die Hummerschale besteht aus hierarchisch organisierten, kalziumkarbonat- verstärkten Chitin/Protein Fibrillen. Die Nanostruktur des Chitin-Protein-Mineral Nanoverbundes kann mit in-situ ortsaufgelöster Mikrostrahl Röntgenkleinwinkelstreuung charakterisiert werden. Die atomare Struktur und der amorph-kristallin Phasenübergang bei Temperaturbehandlung ist über in-situ Röntgenbeugung zugänglich. (A. Al-Sawalmih, C. Li, S. Siegel, P. Fratzl, O. Paris, Adv. Mater. 21 (2009) published online.)