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Lasergenerierte Nanopartikel in wässrigen Lösungen und synthetischen Ölen – Analyse der Kolloidqualität und Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit des Syntheseverfahrens

Jendrzej, Sandra

Skalierbare, wirtschaftliche Herstellungsverfahren und definierte, konstante Produkteigenschaften sind für die Integration lasergenerierter Kolloide in großtechnischen Anwendungen essentiell, werden in der Forschung jedoch kaum thematisiert. Da Kolloide insbesondere in hochanspruchsvollen Bereichen der Biomedizin und Fahrzeugtechnik zuverlässig verarbeitbar und lagerfähig sein müssen, soll im Rahmen dieser Arbeit ein Beitrag zum Verständnis kinetischer Wachstumsprozesse von lasergenerierten Edelmetallnanopartikeln in Wasser und synthetischen Ölen geliefert werden. Zudem soll die Wirtschaftlichkeit durch Ermittlung von Nanopartikelproduktivitäten und anfallenden Synthesekosten der laserbasierten im Vergleich zur nasschemischen Synthese beurteilt werden. Die durch gepulste Laserablation und –fragmentierung in Wasser und Anionenlösung signifikant größenreduzierten Gold- und Platinnanopartikel weisen ein langanhaltendes Atomcluster-getriggertes Wachstum durch Koaleszenz und Reifung auf. Im Gegensatz zu Platin wird für Gold ein konzentrations- und zeitabhängiges, Iodid-induziertes Wachstum unter Bildung anisotroper Strukturen beobachtet, das durch Desorption des Iodids jedoch verlangsamt werden kann. Darüber hinaus steigt die kolloidale Stabilität mit zunehmender Viskosität additivfreier Öle und in vergleichsweise geringviskosen Schmiermitteln an. Diese Kolloide können durch Nachbestrahlung größenreduziert werden und sind auch bei thermischer und mechanischer Beanspruchung stabil. Ebenso kann durch geeignete Kombination aus Laserparametern die Produktivität der laserbasierten Synthese in Modellsubstanzen der Ölindustrie optimiert werden, wodurch eine Grundvoraussetzung für tribologische Hochtemperaturanwendungen erfüllt wird. Aufgrund ausbleibender, zeitaufwendiger Zentrifugationsschritte ist die laserbasierte Synthesetechnik bei hohen Produktivitäten rechnerisch wirtschaftlicher, während die chemische Reduktion im Labormaßstab aufgrund geringerer Investitionskosten leichter ausführbar ist.

Scalable, economic synthesis methods and defined, constant product properties are essential for the integration of laser-generated colloids in large-scale applications. Since challenging applications in biomedicine and automotive drivetrains require storable colloids, particle growth processes of laser-generated colloids in water and synthetic oils need to be assessed in detail. Furthermore, the economy of the laser-based method is determined by measurement of nanoparticle productivities and calculation of arising costs in comparison to conventional, chemical synthesis. Significantly size-reduced gold and platinum nanoparticles synthesized by pulsed laser ablation and fragmentation in water and anion solution feature a prolonged atom cluster triggered particle growth by barrierless coalescence and ripening. In contrast to platinum, gold nanoparticles show a concentration and time-dependent particle growth induced by iodide ions under formation of anisotropic structures. This growth is shown to be reduced by desorption of iodide. Furthermore, the colloidal stability in additive- free oils increases with enhanced viscosity as well as in comparable low viscous lubricants. These colloids can be size-reduced by laser fragmentation and are even stable under thermal and mechanical load. In addition, the productivity of nanoparticle formation in model substances of the oil industry can be optimized by a proper combination of laser parameters. Hence, these results are the basis for tribological, high-temperature applications. According to absent, time-consuming centrifugation steps, the laser-based technique is more economical at high nanoparticle productivities, while chemical reduction is more feasible in the laboratory scale due to lower investment costs.

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Jendrzej, Sandra: Lasergenerierte Nanopartikel in wässrigen Lösungen und synthetischen Ölen – Analyse der Kolloidqualität und Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit des Syntheseverfahrens. 2018.

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