Modellierung der Selbstorganisation nanopartikulärer Systeme: Wachstum und Keimbildung von Zinkoxid- und Silbernanopartikeln

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung atomarer Vorgänge während der Keimbildung und des Wachstums von Zinkoxid- und Silbernanopartikeln. Die methodische Herangehensweise umfasst das Erarbeiten und Aufstellen von geeigneten Modellreaktionen, sowie die Entwicklung von Simulationsprotokollen und Analysemethoden. Hauptsächlich wird dabei auf Molekulardynamiksimulationen in Verbindung mit Kraftfeldern zurückgegriffen. Unterstützt werden diese Simulationen von statischen Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie und ab initio Methoden. Die untersuchte Modellreaktion für das Wachstum von Silbernanopartikeln ist die sogenannte „Polyol“-Synthese. Bei dieser wird ein Silbersalz in Ethylenglykol gelöst und anschließend reduziert und ausgefällt. Das Wachstum kleiner Silbernanopartikel (Atomzahl 13 bis 163) unter verschiedenen Redoxbedingungen konnte umfangreich studiert werden. Es zeigte sich ein systematischer Zusammenhang zwischen Ladung, Packung und Form der Cluster. Im zweiten Teil der Arbeit stand die Enstehung von Zinkoxidpartikeln in der Sol-Gel-Synthese im Mittelpunkt. Bei dieser Synthese reagiert ein Zinksalz (ZnAc2) in ethanolischer Lösung durch Zugabe einer Base (LiOH) zu Zinkoxid. Der erste untersuchte Schritt des Zinkoxidwachstums ist die Aggregation und Reifung von Zn4O(Ac)6 Clustern. Eine Studie mit systematischen Dichtefunktionaltheorierechnungen zeigte Reaktionsmöglichkeiten durch Ligandenaustauschreaktionen (Ac– gegen OH– ). Weiterhin wurde das Wachstum der wichtigsten Zinkoxidoberflächen – (10-10) und (000-1) – durch die Abscheidung der Ionen Zn2+ und OH– simuliert. Ergänzend zum „ungestörten“ Wachstum wurde der Einfluss verschiedener Additive (Acetat, 2-Ethylhexanoat, Citrat und Hexylamin) untersucht