Mit vereinten Kräften: Zwei Freigeist-Teams erforschen Nanoteilchen

Der Freigeist-Fellow Tristan Petit, der mit seinem Team seit 2015 am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) die Eigenschaften und Reaktionen von kohlenstoff-basierten Nanopartikeln erforscht, setzt die Nanoteilchen für Photokatalyse zur Wasserspaltung ein. Ebenfalls am HZB erforscht Freigeist-Fellow Annika Bande mit computergestützten Methoden die Bewegungsmuster von Elektronen in Nanopartikeln. Die beiden lernten sich kennen, als Bande an das Forschungszentrum wechselte und ein Kollege sie auf den "angehenden" Freigeist Petit aufmerksam machte.

Um zu ergründen, wie Oberflächenstruktur und Eigenschaften zusammenhängen, vereinten die beiden Freigeist-Fellows ihre vielfältigen Analyseverfahren. Ein Doktorand aus der Gruppe Petit, Jian Ren, verglich unterschiedlich aufgebaute Nanokohlenstoffe (Hydroxyl-, Carboxyl- und Amino-terminiert) mit verschiedenen Spektroskopien und untersuchte, wie sich ihre Eigenschaften bei verschiedenem Wassergehalt und pH-Wert ändern. Der Doktorand Fabian Weber aus der Bande-Gruppe führte dazu komplementäre theoretische Rechnungen durch. Basierend auf ihren Ergebnissen stellten die Forschungsteams fest, dass speziell die Röntgenabsorptions-Spektroskopie geeignet ist, Strukturmuster in Nanoteilchen zu ermitteln.

Datenbank für Nano-Kohlenstoff-Verbindungen 

Die Forscherinnen und Forscher setzten eine Datenbank mit gerechneten Spektren für Strukturfragmente auf, mit der experimentell ermittelte Spektren interpretiert werden können. Die Erkenntnisse wurden in den Zeitschriften "Nanoscale" und "Physical Chemistry Chemical Physics" veröffentlicht.

Künftig soll die Datenbank allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler helfen, die Röntgenspektren interpretieren müssen. Sie könnten sich wie in einem "Puzzle" die Bausteine ihres Materials zusammensuchen und einen "digitalen Zwilling" erstellen, der Informationen zu den Eigenschaften des Nanomaterials liefert. "Ich möchte die Datenbank in den nächsten Jahren weiter ausbauen und in eine maschinelle Lernmethode einbetten, mit der die Strukturen von organischen Nanomaterialien mit bestimmten Eigenschaften vorhersagt werden kann", wünscht sich Bande.

In Bandes Datenbank werden dann auch die Nanodiamanten und Kohlenstoff-Nitrid-Polymere zu finden sein, die Petit auf seiner Agenda hat. Sie kommen als alternative Fotokatalysatoren für die Wasserspaltung in Frage. Die Daten können Petits Arbeitsgruppe dabei helfen, zu untersuchen, was auf chemischer Ebene an der Katalysator-Wasser-Grenzfläche passiert.

Die Forschungsgruppen von Bande und Petit planen nun die nächsten Schritte. Eines ist bereits klar: Auch in Zukunft wollen die Teams zusammen arbeiten und einige ihrer Forschungsfragen interdisziplinär lösen.