Funktionale Oberflächen von Kohlenstoffmaterialien

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Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamanten

Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, einzigartigen Photolumineszenz- und Spin-Eigenschaften,  ihrer speziellen Biokompatibilität sowie einstellbarer Oberflächeneigenschaften sind Nanodiamanten ideale Materialien für vielversprechende Anwendungen auf den Gebieten von abriebfesten Beschichtungen, Sensorik, Bio-Kennzeichnung und Wirkstofffreisetzung. Die Anpassung der Oberflächenfunktionalitäten spielt dabei eine entscheidende Rolle. Durch einen strahlenchemischen Ansatz (Abb.1) kann eine Chlor-Funktionalisierung der Oberfläche von Nanodiamanten (Durchmesser ca. 10-40 nm) mit hoher Effektivität in kurzer Reaktionszeit realisiert werden. Durch den kombinierten Einsatz von XPS, ATR-FTIR und IS-TD-MS (in-source thermal desorption mass spectrometry) konnte die bemerkenswert hohe kovalente Chlor-Funktionalisierung insbesondere von H-terminierten Nanodiamanten (HND) in CCl4 nach der Bestrahlung mit 10 MeV Elektronen (Abb.2) und Dosen ≥ 300 kGy nachgewiesen werden (Abb.3). Solche Chlor-terminierten Oberflächen sind ideal für die weitere Modifizierung von Nanodiamanten für zukünftige Anwendungen.

Abb. 1: Prinzip der elektroneninduzierten Funktionalisierung.
Lösemittel: CCl4, CHCl3 und/oder CH2Cl2
BND: Bucky ND mit sp2-hybridisiertem Kohlenstoff an der Oberfläche, HND: H-terminierte ND
Abb. 2: 10 MeV Linearbeschleuniger für Elektronen (Mevex): 8 μs/Puls, 250 mA/Puls, 450 Hz, 25 kGy/Durchlauf.
Abb. 3: Dosisabhängige Chlor-Funktiona-lisierung: die besten Resultate erhält man für H-terminierte ND in CCl4 bei Dosen > 500 kGy. Die Cl-Oberflächenkonzentration ≥ 8.6 Atom/nm2, entspricht einer Cl-Bedeckung von ca. 39-62%.

 

Ausgewählte Publikationen

  • C. Laube, T. Oeckinghaus, J. Lehnert, J. Griebel, W. Knolle, A. Denisenko, A. Kahnt, J. Meijer, J. Wrachtrup, B. Abel
    Controlling the Fluorescence Properties of Nitrogen Vacancy Centers in Nanodiamonds

    Nanoscale 11 (2019), 1770-1783
    doi: 10.1039/C8NR07828A

  • J. Zhou, C. Laube, W. Knolle, S. Naumov, A. Prager, F. D. Kopinke, B. Abel
    Efficient chlorine atom functionalization at nanodiamond surfaces by electron beam irradiation

    Diamond Relat. Mater. 82 (2018) 150 – 159
    doi.org/10.1016/j.diamond.2018.01.012