Hamburger Wissenschaftler entwickeln Nanomaterial mit steuerbaren optischen Eigenschaften

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) haben ein neuartiges optisches Nanomaterial auf der Basis von nanoporösem Gold hergestellt, das es ermöglicht, die optische Transmission – also den Durchgang optischer Strahlung- durch Anlegen von elektrischen Spannungen um bis zu 30 Prozent zu verändern. Die Veränderung ist sensationell groß, wenn man bedenkt, dass die Schichtdicke des Nanomaterials nur 200 Nanometer beträgt – das ist nur etwa ein fünfhundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Obwohl 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 verhält und erst im nahen Infrarot -also bei längeren Wellenlängen- seinen typischen metallischen Charakter mit der damit einhergehenden Reflexion zeigt. Über die Dichte dieser Porenstruktur lässt sich festlegen, in welchem Wellenlängenbereich 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 großen inneren Oberfläche. Ein Würfel aus diesem nanoporösen Gold mit einer Kantenlänge von nur 4 cm hätte die innere Oberfläche eines Fußballfeldes. In diese Poren haben die Hamburger Wissenschaftler nun einen Elektrolyten auf Wasserbasis eingefüllt, der eine von außen angelegte elektrische Spannung mit den dünnen Goldstegen verbindet. Normalerweise ist die Dichte der Elektronen und damit auch die optischen Eigenschaften von Metallen durch eine angelegte Spannung kaum zu ändern. Die enorm große innere Oberfläche 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 lässt sich die optische Transmission breitbandig und reversibel um bis zu 30 Prozent ändern – es entsteht ein einstellbarer teildurchlässiger Spiegel.

Das neu entwickelte Nanomaterial birgt großes 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 ungelösten Problems des Klimawandels und inmitten der aktuellen Diskussion um gesundheitsschädliche Feinstaub- und Stickoxidemissionen durch Heizungen und Verbrennungsmotoren im Straßenverkehr wollen die Hamburger Wissenschaftler einen substanziellen Beitrag bei der Schaffung der erforderlichen wissenschaftlichen technischen Grundlagen für eine umweltfreundliche Energieversorgung leisten.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen der bereits seit vielen Jahren sehr erfolgreichen Kooperation der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) durchgeführt. Diese fruchtbare Kooperation drückt sich insbesondere in dem gemeinsam von TUHH und HZG seit 2012 betriebenen und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme – M³“ und in dem im Großraum Hamburg die materialwissenschaft¬lichen Kompetenzen bündelnden Zentrum für Hochleistungsmaterialien (ZHM) aus, das zu diesem Zweck im Jahre 2015 von TUHH und HZG sowie den beteiligten Landesregierungen Hamburgs und Schleswig-Holsteins gegründet wurde.

„Erst die Erarbeitung der an der TUHH und am HZG komplementären Fähigkeiten auf den Gebieten der Photonik und der nanoporösen Metalle sowie die hervorragende Kooperation der beteiligten Wissenschaftler hat uns in die Lage versetzt, die Bandbreite der anstehenden Aufgaben zu bewältigen - von der theoretischen Beschreibung über die elektromagnetische Simulation bis hin zur Herstellung der nanoporösen Metalle und zu deren optischer Charakterisierung.“, sagt Professor Manfred Eich, Co-Sprecher des SFB 986, Leiter des TUHH-Instituts für Optische und Elektronische Materialien der TUHH und Leiter einer Arbeitsgruppe am HZG, die sich mit Nanophotonischen Strukturen für die photoelektrochemische Wasserstoffgewinnung befasst.

Literatur

Dirk Jalas, Li Hua Shao, Rashmi Canchi, Toshiya Okuma, Slawa Lang, Alexander Petrov, Jörg Weissmüller ud´nd Manfred Eich, Electrochemical Tuning of the Optical Properties of Nanoporous Gold, Nature Scientific Reports, 09. März 2016