Nanopartikel ermöglichen neue Kombinationen bisher nicht mischbarer Metalle
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Metalle weisen vielfältige Eigenschaften auf. Diese miteinander zu kombinieren, eröffnet neue Perspektiven für viele Zukunftstechnologien. Doch einige Metalle lassen sich bisher nicht miteinander mischen. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzt der Chemiker Professor Claus Feldmann Metall-Nanopartikel als Mittler ein, um neuartige Legierungen zu ermöglichen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert sein Vorhaben als Reinhart Koselleck-Projekt für hochinnovative und risikobereite Projekte mit 750 000 Euro über fünf Jahre.
„Metallische Werkstoffe sind die Basis für wichtige Komponenten vieler Zukunftstechnologien, beispielsweise in den Feldern Energie, Elektronik, Automotive sowie Luft- und Raumfahrt“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung, Lehre und Akademische Angelegenheiten des KIT. „Claus Feldmann schafft mit seiner Nanopartikel-Forschung die Grundlagen für völlig neuartige Legierungen. Wir sind stolz auf diesen herausragenden Wissenschaftler und gratulieren ihm herzlich dazu, mit einem Reinhart Koselleck-Projekt die höchstdotierte Exzellenzförderung der DFG für Einzelpersonen eingeworben zu haben.“
Professor Claus Feldmann, Forschungsgruppenleiter am Institut für Anorganische Chemie des KIT, untersucht „Nanopartikel als Shuttles zur Legierung nicht-mischbarer unedler Metalle“ – so der Titel seines Projekts. Das heißt, Nanopartikel dienen ihm als Mittler, um Metalle zusammenzubringen, die sich bis jetzt nicht miteinander mischen lassen. Immerhin 80 Prozent aller bekannten chemischen Elemente sind Metalle. Sie zeichnen sich durch hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, plastische Verformbarkeit und metallischen Glanz aus. Abgesehen davon weisen sie unterschiedliche, teils sogar einander entgegengesetzte Eigenschaften auf. Die Verschmelzung von solchen Metallen könnte künftig neue Hochleistungswerkstoffe ermöglichen.
Professor Claus Feldmann bringt mithilfe von Nanopartikeln Metalle zusammen, die sich bisher nicht miteinander mischen lassen.
Copyright: Markus Breig, KIT
Geschwindigkeit der Reaktion überlistet Nanopartikel
Einige Metalle sind jedoch in fester Phase nicht mischbar und bilden keine thermodynamisch stabilen Bimetalle. „Leichtmetalle beispielsweise sind leicht, weich und reaktionsfreudig. Hartmetalle dagegen sind hart, haben einen hohen Schmelzpunkt und sind reaktionsträge. Diese Eigenschaften zu kombinieren, eröffnet interessante Perspektiven, war bisher jedoch häufig nicht möglich“, so Feldmann. Er und sein Team setzen Nanopartikel der Metalle ein und arbeiten daran, durch schnelle Reduktion nahe Raumtemperatur in flüssiger Phase eine atomar-statistische Verteilung von Metallen in Nanopartikeln kinetisch zu erzwingen. „Diese chemische Reaktion dauert weniger als eine Sekunde, sodass die Nanopartikel gar keine Zeit haben, sich wieder voneinander zu separieren“, erläutert Feldmann. „So erreichen wir, dass in dem Gemisch beide Metalle in gleichem Maße enthalten und gleichmäßig verteilt sind.“
Vorarbeiten mit Nanopartikeln verschiedener Metalle erlauben der Forschungsgruppe bereits einen einzigartigen Zugang zu bisher nicht möglichen Bimetallen. Deren Eigenschaften können sich deutlich von denen der Monometalle unterscheiden, was beispielsweise Reaktivität, Kristallisation und thermische Eigenschaften betrifft.
Neue Bimetalle mit ungewöhnlichen Eigenschaften
Neben der grundlegenden Frage, wie sich Legierungen bisher nicht mischbarer unedler Metalle mithilfe bimetallischer Nanopartikel als Shuttles herstellen lassen, untersucht Feldmann auch die Möglichkeit, ganz neue Bimetalle mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu etablieren. Dies könnte künftig beispielsweise die Weiterentwicklung von metallischen Gläsern, Katalysatoren und Hochentropiematerialien aus fünf oder mehr Elementen vorantreiben. Die DFG fördert das Reinhart Koselleck-Projekt mit 750 000 Euro über fünf Jahre. Das Projekt startet am 01. Juni 2026.
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