Projekte
Projektbeschreibung
Der triboelektrische Effekt beschreibt das folgende Phänomen: Wenn sich zwei unterschiedliche Materialien berühren und in entgegengesetzte Richtungen bewegen, führt der Unterschied in ihren Elektronenaffinitäten zur Ladungstrennung. Bei Isolatoren ist es allerdings unklar, ob Elektronen, Ionen oder Materialfragmente übertragen werden. In meiner Forschung analysiere ich Topografie und Oberflächenpotenzial von triboelektrischen Grenzflächen vor und nach dem Kontakt. Dazu nutze ich Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit einer Kelvin-Sonde. Dieser Ansatz ermöglicht ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Oberflächeneigenschaften und triboelektrischem Verhalten.
Projektergebnis
Funktionelle Materialien sind für verschiedene Zwecke in der Industrie und im täglichen Leben wichtig, z. B. für die Anpassung an unterschiedliche Umgebungen und für die Energiegewinnung. Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein leistungsfähiges Instrument, mit dem sich die Struktur der entworfenen funktionellen Grenzflächen und andere Eigenschaften wie das Oberflächenpotenzial aufdecken lassen. In dieser Arbeit untersuchten wir mithilfe der AFM-Bildgebung die Strukturen verschiedener funktioneller Grenzflächen, die in der Katalyse und Lösungsfiltration eingesetzt werden. Außerdem untersuchten wir den triboelektrischen Effekt für die Energiegewinnung mithilfe der Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) und der AFM-basierten Kraftspektroskopie.
Im ersten Projekt untersuchten wir Enzyme, so genannte Hydrogenasen, die die reversible Oxidation von Wasserstoffgas katalysieren können. Diese Enzyme wurden an einer bestimmten Oberfläche angebracht, und ihre Dicke wurde mit AFM-Bildgebung gemessen. Wir stellten fest, dass die Enzyme eine einzige Schicht auf der Oberfläche bildeten.
In unserem zweiten Projekt untersuchten wir die Stabilität von porösen Membranen aus einer bestimmten Art von Blockcopolymeren unter verschiedenen Bedingungen mithilfe des AFM. Wir stellten fest, dass ultraviolettes Licht nicht nur die Membranen vernetzte, sondern auch deren Stabilität und deren Widerstandfähigkeit gegen Wasser und Ethanol förderte. Wir bestätigten zudem, dass Nanoporen auch in einer anderen Sorte von Polymerfilmen vorhanden waren und dass die Ozonolysebehandlung diese Poren nicht beeinträchtigte.
Um den triboelektrischen Effekt zu verstehen, haben wir eine AFM-basierte Methode namens Triboelektrifizierungstest auf der Mikroskala (TEAMS) entwickelt. Diese Methode ermöglichte es uns, den physikalischen Ursprung des triboelektrischen Effekts zu untersuchen. Wir verwendeten KPFM, um Oberflächenpotenziale zu ermitteln, und Kraftspektroskopie, um verschiedene Materialien auf der Mikroskala zu kontaktieren. Wir fanden heraus, dass der Abstand des Kontakts und die Feuchtigkeit der Atmosphäre große Auswirkungen auf die Ladungserzeugung haben. Auch eine edle Art von organischen Verbindungen, redoxaktive Moleküle, konnten den triboelektrischen Effekt verstärken, weshalb sie für den Einsatz in triboelektrischen Nanogeneratoren vielversprechend sind. Wir glauben, dass die TEAMS-Methode uns wertvolle Einblicke in das molekulare Verständnis des triboelektrischen Effekts geben kann.
Erstbetreuer
Prof. Dr. Thorsten Hugel
Mitbetreuer
Dr. Bizan N. Balzer
Qiwei Hu schloss seine Dissertation im April 2023 ab.
Dissertation: Atomic force microscopy based characterization of functional interfaces