Blau leuchtende Nanokristalle mit Mehrfachnutzen

Ein neues Herstellungsverfahren produziert Magnesiumoxid-Nanokristalle vergleichsweise günstig und einfach - sie könnten für Leuchtzwecke ebenso dienen wie zum Speichern von CO2

Leuchtende Nanokristalle
Leuchtende Nanokristalle

Berkeley (USA) - Mit effizientem blauem Leuchten reagieren Nanokristalle aus Magnesiumoxid, wenn man sie mit UV-Licht bestrahlt. Damit sind sie vielversprechende Kandidaten für künftige blaue Leuchten, denn ihr neuartiges Herstellungsverfahren produziert sie nicht nur einfach und sehr kostengünstig, es lässt auch die einheitliche Kristallgröße bis auf wenige Nanometer (millionstel Millimeter) genau steuern. Obendrein könnten die winzigen, ungiftigen Partikel eine wichtige Rolle beim unterirdischen Speichern von Kohlendioxid spielen, ein Vorgehen, das gegen die globale Klimaerwärmung diskutiert wird. Die US-Forscher beschreiben ihre neue Produktionsmethode im Fachblatt "Angewandte Chemie International Edition".

"Wir haben einen fundamental neuen, unkonventionellen Mechanismus gefunden, um die Größe dieser Nanokristalle gezielt zu kontrollieren, und wir stellten fest, dass wir hier einen faszinierenden und überraschenden Kandidaten für optische Anwendungen haben", erklärt Delia Milliron, Direktorin der Inorganic Nanostructures Facility am Nanoforschungszentrum des staatlichen Berkeley Labors, der "Molecular Foundry": "Diese effiziente, helle blaue Lumineszenz könnte eine günstige, attraktive Alternative darstellen für Anwendungen wie Bio-Imaging oder Festkörper-Leuchten". Bislang kommen zur Herstellung solcher Nanokristalle aus Erdalkali-Metalloxiden Hochtemperatur- oder Aufdampfungsprozesse zum Einsatz. Letztere sind kosten- und zeitintensiv und produzieren Kristalle, die an ein Substrat gebunden sind; erstere lassen die Kristallgröße schlecht steuern und liefern teils miteinander verschmolzene Partikel.

Zur Herstellung der neuen Kristalle nutzte Millirons Team einen organometallisch-chemischen Syntheseweg. Im Grundzustand ist Magnesiumoxid ein billiges weißes Mineral, das auch in Pulverform zum Einsatz kommt. Die Forscher wählten die so genannte direkte Kolloidalsynthese und fügten der chemischen Reaktion unter anderem Trioctylphosphinoxid und Wasser hinzu. Je nachdem, wie viel Wasser sie dem organischen Reaktionsmedium beigaben, konnten sie die Größe der entstehenden Nanokristalle zwischen zwei und acht Nanometern steuern. Die Effizienz des blauen Leuchtens ihrer Kristalle erreicht etwa 20 Prozent, schreiben die Forscher.

Blaue leuchtende Halbleitermaterialien sind nötig, um gemeinsam mit roten und grünen Lichtquellen weiß leuchtende LEDs (Leuchtdioden) herzustellen. Bisher allerdings sind diese blauen Festkörper-Lichtquellen eher schwierig und teuer herzustellen. Die neuen Nanokristalle könnten einen willkommenen Ersatz darstellen. Zudem sollen sie nun auf ihr Potenzial in Sachen Kohlendioxid-Speicherung untersucht werden. Wenn eines Tages tatsächlich CO2 in unterirdische Lagerstätten gepumpt werden sollte, um es dem Kreislauf in der Atmosphäre zu entziehen, so sind völlig abgedichtete geochemische Lagerstätten nötig, aus welchen weder Gase noch Flüssigkeiten entkommen können. Im Idealfall reagiert das Kohlendioxid mit den unterirdischen Gesteinsschichten, beziehungsweise mit dort vorhandenen Nanopartikeln aus Magnesium- oder anderen Mineral-Oxiden zu Karbonaten.

"Diese Nanokristalle werden als Testsystem dienen, um die Kinetik der Lösung und Mineralisation in simulierten Speicherstätten zu modellieren, was uns das Austesten eines Schlüsselweges in der Kohlendioxid-Abscheidung erlaubt", erklärt Jeff Urban, Mitglied des Forscherteams am Berkeley Lab "Energy Frontier Research Center (EFRC) for Nanoscale Control of Geologic CO2" und fügt hinzu: "Die geologischen Mineralien, die Magnesium in ein stabiles Karbonat binden, sind in ihrem Aufbau komplex, aber unsere Nanokristalle werden ein einfaches Modell liefern, um diesen ausgeklügelten Prozess zu simulieren".