TUHH: Hamburger Wissenschaftler entwickeln neuartiges Nanomaterial mit steuerbaren optischen Eigenschaften

09.03.2017

Links: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanoporösen Goldnetzwerks. Erkennbar sind die von Hohlräumen umgebenen nanoskaligen Goldstege.Rechts: Breitbandige Änderung der optischen Transmission um bis zu 30 Prozent bei Anlegen einer elektrischen Spannung von ca. 1 Volt (hellblaue Kurve: -0,9 V, mittelblaue Kurve: -0,5 V, dunkelblaue Kurve: 0,5 V, schwarze Kurve: 0,9 V)  (
Links: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanoporösen Goldnetzwerks. Erkennbar sind die von Hohlräumen umgebenen nanoskaligen Goldstege.
Rechts: Breitbandige Änderung der optischen Transmission um bis zu 30 Prozent bei Anlegen einer elektrischen Spannung von ca. 1 Volt (hellblaue Kurve: -0,9 V, mittelblaue Kurve: -0,5 V, dunkelblaue Kurve: 0,5 V, schwarze Kurve: 0,9 V)
(Foto: TUHH)

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) haben ein neuartiges opti­sches Nanomaterial auf der Basis von nanopor&öem Gold hergestellt, das es erm&ölicht, die optische Transmission &–lso den Durchgang optischer Strahlung- durch Anlegen von elektrischen Spannungen um bis zu 30 Prozent zu ver&ädern. Die Ver&äderung ist sensationell gro&ß wenn man bedenkt, dass die Schichtdicke des Nanomaterials nur 200 Nanometer betr&ät &–das ist nur etwa ein f&üfhundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.<

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bwohl es aus Metall besteht, reflektiert das neue Nanomaterial optische Strahlung nicht so, wie das von einem normalen Metallspiegel bekannt ist. Durch die nanoskalige Porenstruktur entsteht ein sogenanntes plasmonisch-optisches Metamaterial, das sich im Sichtbaren wie ein absorbierendes nichtmetallisches Material verh&ät und erst im nahen Infrarot -also bei l&ägeren Wellenl&ägen- seinen typischen metallischen Charakter mit der damit einhergehenden Reflexion zeigt. &Üer die Dichte dieser Porenstruktur l&äst sich festlegen, in welchem Wellenl&ägenbereich das Nanomaterial absorbiert und wo es reflektiert. Hier im konkreten Fall bestehen 85 Prozent des gesamten Volumens aus Poren, die von nur 10 Nanometer dicken Gold-Stegen durchzogen sind. Es entsteht ein schwammartiges Material mit einer sehr gro&ßn inneren Oberfl&ähe. Ein W&üfel aus diesem nanopor&öen Gold mit einer Kantenl&äge von nur 4 cm h&äte die innere Oberfl&ähe eines Fu&ßallfeldes. In diese Poren haben die Hamburger Wissenschaftler nun einen Elektrolyten auf Wasserbasis eingef&ült, der eine von au&ßn angelegte elektrische Spannung mit den d&ünen Goldstegen verbindet. Normalerweise ist die Dichte der Elektronen und damit auch die optischen Eigenschaften von Metallen durch eine angelegte Spannung kaum zu &ädern. Die enorm gro&ß innere Oberfl&ähe des Nanomaterials erlaubt es aber, durch Anheben und Absenken der Spannung von nur ca. 1 Volt die Dichte der Elektronen in den miteinander verbundenen metallischen Stegen um bis zu 8 Prozent zu variieren. Damit l&äst sich die optische Transmission breitbandig und reversibel um bis zu 30 Prozent &ädern &–es entsteht ein einstellbarer teildurchl&äsiger Spiegel.<

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as neu entwi­ckelte Nanomaterial birgt gro&sß Potenzial, um mittels der Absorption von Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der ohne menschengemachte Energiezufuhr erzeugte Wasserstoff ist der emissionsfreie regenerative Brennstoff erster Wahl im Hinblick auf die notwendige Umstellung der Energieversorgung der Industriegesellschaften. In einer Zeit knapper werdender fossiler Brennstoffe, angesichts des ungel&oöen Problems des Klimawandels und inmitten der aktuellen Diskussion um gesundheitssch&aäiche Feinstaub- und Stickoxidemissionen durch Heizungen und Verbrennungsmotoren im Stra&sßverkehr wollen die Hamburger Wissenschaftler einen substanziellen Beitrag bei der Schaffung der erforderlichen wissenschaftlichen technischen Grundlagen f&uüeine umweltfreundliche Energieversorgung leisten.</

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e Forschungsarbeiten wurden im Rahmen der bereits seit vielen Jahren sehr erfolgreichen Kooperation der Technischen Universit&aäHamburg (TUHH) und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) durchgef&uüt. Diese fruchtbare Kooperation dr&uüt sich insbesondere in dem gemeinsam von TUHH und HZG seit 2012 betriebenen und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef&oöerten Sonderforschungsbereich 986 &b„&sßschneiderte Multiskalige Materialsysteme &n–&s³“nd in dem im Gro&sßum Hamburg die materialwissenschaft­lichen Kompetenzen b&uuülnden Zentrum f&uuüochleistungsmaterialien (ZHM) aus, das zu diesem Zweck im Jahre 2015 von TUHH und HZG sowie den beteiligten Landesregierungen Hamburgs und Schleswig-Holsteins gegr&uuüt wurde.</p

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„t die Erarbeitung der an der TUHH und am HZG komplement&auä F&auäkeiten auf den Gebieten der Photonik und der nanopor&ouö Metalle sowie die hervorragende Kooperation der beteiligten Wissenschaftler hat uns in die Lage versetzt, die Bandbreite der anstehenden Aufgaben zu bew&auägen - von der theoretischen Beschreibung &uuü die elektromagnetische Simulation bis hin zur Herstellung der nanopor&ouö Metalle und zu deren optischer Charakterisierung.&ld“agt Professor Manfred Eich, Co-Sprecher des SFB 986, Leiter des TUHH-Instituts f&uuüptische und Elektronische Materialien der TUHH und Leiter einer Arbeitsgruppe am HZG, die sich mit Nanophotonischen Strukturen f&uuüie photoelektrochemische Wasserstoffgewinnung befasst.</p

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liziert wird die Arbeit am 09. M&auä2016 in &bd„ure Scientific Reports&ld“iner der weltweit wichtigsten Fachzeitschriften f&uuüach&uuügreifende, wissenschaftliche Forschungsarbeiten.</p

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likation <br
Electrochemical Tuning of the Optical Properties of Nanoporous Gold" by Dirk Jalas, Li Hua Shao, Rashmi Canchi, Toshiya Okuma, Slawa Lang, Alexander Petrov, J&ouöWeissm&uuür, and Manfred Eich in Nature Scientific Reports.</p

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Artikel erscheint am 09. M&auä2017 unter <a .nature.com/articles/srep4413

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tere Informationen:</s

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f. Dr. Manfred Eich<br
chnische Universit&auäamburg-Harburg (TUHH)<br
stitut f&uuüptische und Elektronische Materialien<br
&szßorfer Stra&szß8, D-21073 Hamburg</p

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<br
stitut f&uuüerkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, <br
x-Planck-Strasse 1, Geesthacht, D-21502, Germany</p

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l +49 40 42878 3147<br
Mail: <a
ich@tuhh.de
w.tuhh.de/alt/oem/home.html</p

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f. Dr. J&ouöWei&szßuür<br
chnische Universit&auäamburg-Harburg (TUHH)<br
stitut f&uuüerkstoffphysik und -technologie<br
&szßorfer Stra&szß2, D-21073 Hamburg</p

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<br
stitut f&uuüerkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, <br
x-Planck-Strasse 1, Geesthacht, D-21502, Germany</p

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l +49 40 42878 30 35<br
Mail: weissmueller@tuhh.de<br
w.tuhh.de/wp/index.de.html</p

Text: Prof. Dr. Manfred Eich


TUHH - Pressestelle

Fax: +49 40 428 78 2366