Forschung

Trotz ihrer weit verbreiteten Anwendung und Bedeutung leiden Oxidgläser an sich unter ihrer geringen mechanischen Festigkeit, und es gibt viele offene Fragen zu ihrer Struktur, Risszähigkeit und Festigkeit. Um den Anforderungen der immer weiter fortschreitenden Anwendungen gerecht zu werden und die Robustheit der Materialien zu gewährleisten, werden diese Fragen von uns durch eine Kombination aus Multiskalenmodellierung (DFT, MD) und experimenteller Charakterisierung (Raman, NMR, DCB, DMA usw.) angegangen. Bei der Suche nach optimierten Zusammensetzungen nutzen wir die Vorteile der robotergestützten Glasschmelzanlage der BAM und versuchen, strukturelle Beziehungen herzustellen, z.B. zwischen innerer Reibung und Risszähigkeit und modellieren die Bruchenergie und -dissipation während der Rissbildung. In Borosilikatgläsern haben wir eine „zebraartige“ phasengetrennte Mikrostruktur gefunden, die zu einer Erhöhung der Glaszähigkeit um bis zu 50% führt.

In optischen Gläsern, die mit emittierenden dreiwertigen Seltenen Erden (RE) dotiert sind, hat die chemische Umgebung einen direkten Einfluss auf die strahlende/nicht strahlende RE-Emissionswahrscheinlichkeit. Die Schwingungseigenschaften und die chemische Beschaffenheit der Bindungen in der ersten Koordinationssphäre können bis zu einem gewissen Grad auf der Grundlage von Strukturinformationen aus spektroskopischen Techniken (NMR, EPR, Raman, FT-IR, UV-Vis und PLE) maßgeschneidert werden. Wir sind an der Entwicklung von RE-dotierten Oxid- und Oxyfluoridgläsern als Szintillatoren und für Anwendungen im nahen und mittleren IR-Bereich interessiert. Die Dotierung kann mit Edelmetall-Nanopartikeln (NPs) und Clustern verbunden werden, um Plasmonenverstärkung und Energietransfer zu erforschen. Derzeit konzentrieren wir uns auch auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien sowie auf die Erforschung von Gläsern mit Halbleiter-NPs.

Lumineszierende Pulver oder Leuchtstoffe mit hoher Quantenausbeute und/oder persistenter Lumineszenz (PersL), die Minuten oder sogar Stunden anhält, bieten in Kombination mit geeigneten Glaswirten neue Perspektiven für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit Anwendungen, die von der Festkörperbeleuchtung bis zur Sensorik reichen. Für die Verbindung von Leuchtstoff- und Glaspulvern können verschiedene Methoden angewandt werden, z. B. die direkte Zugabe zur Schmelze, das Sintern (viskoser Fluss, Flashen) oder die Sol-Gel-Methode. Entscheidende Parameter sind die Abstimmung von Brechungsindex und Partikelgröße, die Dispergierbarkeit des Pulvers und die Stabilität/Integrität während der Verarbeitung und auf lange Sicht. In diesem Bereich haben wir verschiedene Ansätze erforscht.

Mit Seltenerdionen (RE) dotierte Upconversion-Nanopartikel (UPCON) sind äußerst vielseitige Nanomaterialien mit der Fähigkeit, Infrarotanregung in UV- und sichtbares Licht umzuwandeln. Die Fluoridzusammensetzungen NaYF4:RE (RE = Yb/Er oder Yb/Tm) mit hexagonaler Struktur sind dafür bekannt, dass sie bei Anregung bei 980 nm die intensivsten Reaktionen im grünen bzw. blauen Bereich zeigen. Die Kernpartikel können mit Siliziumdioxidhüllen beschichtet und weiter funktionalisiert werden, um auf ihren Oberflächen spezifische Biomoleküle wie Farbstoffe, organometallische Komplexe usw. durch Wirt-Gast-Wechselwirkungen zu tragen. Die Kombination von UPCON mit Edelmetall-NP (Au, Ag), die mit spezifischen Formen versehen sind, um ihre plasmonische Reaktion anzupassen, ermöglicht uns die Entwicklung empfindlicher Nanoplattformen für die chemische, biologische und Umweltsensorik.

Halbleiter-Nanopartikel im Größenbereich von 1 bis 10 nm (Quantenpunkte) sind einfallsreiche lumineszierende Nanomaterialien mit einer Reihe von Anwendungen, von Solarkonzentratoren bis hin zu biologischer Bildgebung und Sensorik. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen wird ihre Bandlückenenergie durch einen größenabhängigen Quanteneinschluss bestimmt, was zu abstimmbaren Emissionen über das gesamte sichtbare Spektrum führt. In unseren Studien haben wir einen Ansatz zur In-situ-Wachstumsüberwachung umgesetzt, um CdTe-Punkte mit kontrollierter Größe zu synthetisieren und ihre Lumineszenzreaktion zu verfolgen. Die Punkte wurden für die Sauerstoffdetektion, die biologische Markierung und die Erzeugung von Oberwellen hoher Ordnung untersucht.

Sol-Gel ist eine äußerst vielseitige Methode der weichen Chemie für die Herstellung von anorganischen und hybriden organisch-anorganischen Wirt-Gast-Xerogelen und glasartigen Materialien. Sie ermöglicht eine hohe Homogenität der Ausgangsstoffe auf molekularer Ebene, milde Synthesebedingungen (Temperatur, pH-Wert) und eine flexible Formgebung (Masse, Filme, Fasern, Partikel). Dichte oder mesoporöse Silikat- und Organosilikat-Wirte können mit Gastmolekülen wie natürlichen und synthetischen Farbstoffen, metallorganischen Komplexen (Eu(III), Ir(II), Cu(I)), Nanopartikeln und Arzneimitteln assoziiert werden, um funktionelle Materialien herzustellen. Die Assoziation dieser Spezies wurde von uns durch kovalente Bindung, van-der-Waals- und Coulomb-Wechselwirkungen sowie durch den Ship-in-a-Bottle-Ansatz erreicht. Derzeit interessieren wir uns für die Kombination von Bioaktivität und Lumineszenz für Materialien zur Wundheilung sowie für energiebezogene Anwendungen.