„Löcher“ im Valenzband von Nanodiamanten entdeckt

Eigenschaften könnten sich gezielt verändern lassen, um Nanodiamanten als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung mit Sonnenlicht zu nutzen, hoffen die Forscher.

Nanodiamanten sind winzige Kristalle, die zwar die kristalline Struktur von Diamanten besitzen, aber aufgrund ihrer enormen Oberflächen andere Eigenschaften als ihre großen Brüder aufweisen. Nanodiamanten können zum Beispiel als Wirkstofftaxis für biomedizinische Anwendungen oder als Katalysatoren für die Wasserspaltung genutzt werden. Doch wie unterscheiden sich die elektronischen Eigenschaften von Nanodiamanten auf einem festen Substrat von den Eigenschaften, die Nanodiamanten in wässrigen Lösungen aufweisen?  Dr. Tristan Petit im Team um Prof. Dr. Emad F. Aziz hat dies nun mit Hilfe von Absorptions- und Emissionsspektroskopie an BESSY II untersucht. Dabei zeigten sie, dass Nanodiamanten in wässriger Lösung „Löcher“ im Valenzband aufweisen. Die Ergebnisse sind in „Nanoscale“ publiziert.

„In Wasser ist die Wechselwirkung zwischen den Nanodiamanten und den benachbarten Molekülen und Ionen besonders stark“, erklärt Petit. Durch Zugabe von Salzen oder der Veränderung des PH-Werts lässt sich zum Beispiel beeinflussen, wie gut Nanodiamanten bestimmte Wirkstoffe absorbieren. Bei ihrer Untersuchung haben Petit und seine Kollegen entdeckt, dass sich die elektronischen Zustände bei Nanodiamanten auf festen Substraten deutlich von denen unterscheiden, die Nanodiamanten in wässriger Lösung besitzen. 

Mit Hilfe der Mikrojet-Technik, die von Emad Aziz am HZB entwickelt wurde, untersuchten sie die flüssigen Proben im Vakuum mit Röntgenspektroskopie  und ermittelten ein detailliertes Bild von besetzten und unbesetzten Elektronenzuständen in Valenz- und Leitungsbändern. Sie fanden,  dass sich in der wässrigen Dispersion an den Oberflächen der Nanodiamanten so genannte „Löcher“, also fehlende Elektronen, im Valenzband bilden: „Dies deutet darauf hin, dass an der Oberfläche von Nanodiamanten Elektronen an die umgebenden Wassermoleküle abgegeben werden“, sagt Petit. Über die elektronische Struktur der Nanoteilchen könnte man auch ihre chemischen, optischen und katalytischen Eigenschaften beeinflussen, vermuten die Physiker. In weiteren Untersuchungen möchten sie abklären, ob sich die katalytische Wirkung von Nanodiamanten in wässriger Umgebung für die lichtinduzierten Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gezielt steigern lässt.

Referenz: Valence holes observed in nanodiamonds dispersed in water, Tristan Petit, Mika Pflüger, Daniel Tolksdorf, Jie Xiao and Emad Flear Aziz, Nanoscale, 2015, DOI: 10.1039/C4NR06639A

Postskriptum: Ende 2014 erhielt Dr. Tristan Petit für seine Doktorarbeit einen C’Nano-Preis in der Kategorie „Interdisziplinäre Forschung“.  In der Dachorganisation C’Nano haben sich mehrere Forschungseinrichtungen Frankreichs zusammengeschlossen, die Nanomaterialien und Nanotechnologien untersuchen und entwickeln.
Tristan Petit untersuchte für seine Promotion am Laboratoire Capteurs Diamant (CEA LIST Saclay) Eigenschaften von Nanodiamanten und ihre potentielle Eignung für die Krebstherapie. Seit Juni 2013 forscht Dr. Tristan Petit mit einem Postdoktoranden-Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung im Team von Prof. Dr. Emad Flear Aziz am HZB.

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