Photonen, Elektronen und Partikel in Wechselwirkung mit Oberflächen und Grenzflächen

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Abb. 1: 10 MeV Elektronenbeschleuniger MB10-30MP (Mevex, Stittsville, Kanada) mit einer maximalen Elektronenstrahlenergie von 10 kW.
Abb. 2: REM-Aufnahme einer Kryogelpore mit eingebetteten in situ erzeugten Silbernanopartikeln (Insert: Kryogele erzeugt mit 0.3 mM (links) and 1 mM (rechts) AgNO3- Stammlösung.

Hertz Applikationslabor – Hoch- und niederenergetische Elektronen für Materialmodifizierung und Grundlagenforschung

Bereits seit Jahrzehnten wird in vielen technischen Prozessen ionisierende Strahlung für die Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien eingesetzt. Das IOM nutzt seit seiner Gründung sowohl niederenergetische (< 250 keV) als auch hochenergetische (bis zu 10 MeV) Elektronen für anwendungsorientierte Entwicklungen und Grundlagenforschung. 2014 konnte mit Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF-03X0130 “NanoTrace”) und dem Freistaat Sachsen ein neuer 10 MeV Elektronenbeschleuniger als Herzstück des neu gegründeten  „Hertz Applikationslabor für Elektronenstrahltechnologien u. Materialmodifizierung” installiert werden (Abb.1).

Der neue Beschleuniger liefert computergesteuerte stabile Strahlströme bis zu 1 mA (10 kW Strahlleistung) für die Materialmodifizierung unter industrienahen Bedingungen. Die hohe Elektronenenergie von 10 MeV erlaubt bei einseitiger Bestrahlung die Synthese bzw. Modifizierung von 3D-Proben mit Dicken bis 5 cm.
Strahlablenkung und Transportsystem ermöglichen eine homogene Bestrahlung von Proben bis zu einer Größe von ca. 0.6 m x 2.0 m. Als Beispiel sind in Abb.2 Silber-Nanopartikel (Ø≤20 nm) zu sehen, die in-situ strahlenchemisch in den Wänden und auf den Innenflächen der Poren von Kryogelen erzeugt wurden. Damit erreicht man eine hohe Zytotoxizität dieser hochporösen Kryogele.

  • Härten von Polymeren (dünne Filme und 3D)
  • Vernetzung von Hydrogelen, Kryogelen, etc.
  • Materialmodifizierung (e.g. Diamanten, Halbleiter)
  • Kryobestrahlung (>77K)
  • Sterilisation

Die Kurzpulsoption (15ns) des MB10-30MP Beschleunigers, ermöglicht die Erzeugung von einzelnen Hochstrompulsen (1A), wie es für moderne zeitaufgelöste Messungen (Pulsradiolyse) zur Untersuchung der Strahlenchemie von elektroneninduzierten Prozessen benötigt wird.

  • Strahlenchemie und Radikalchemie
  • Prozesskontrolle während der Bestrahlung
  • Einzelpuls und Pulssequenzen
  • Detektionszeit: ns bis min

Der 10 MeV Beschleuniger wird durch drei weitere Beschleuniger für niederenergetische Elektronen (<250keV) ergänzt, die hauptsächlich für die (Oberflächen-) Modifizierung von Dünnschichtsubstraten genutzt werden. Die Beschleuniger des Hertz-Applikationslabors stellen in Kombination mit den am IOM verfügbaren analytischen Techniken eine in Mitteleuropa einmalige Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur bereit, die auch für gemeinsame Projekte mit Universitäten, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Industriepartnern in vielen Bereichen der Materialwissenschaften für die Entwicklung neuer Hightech-Hybridmaterialien genutzt wird.

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, (2019)
    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

  • C. Laube, Y. M. Riyad, A. Lotnyk, F. P. Lohmann, C. Kranert, R. Hermann, W. Knolle, T. Oeckinghaus, R. Reuter, A. Denisenko, A. Kahnt, B. Abel
    Defined functionality and increased luminescence of nanodiamonds for sensing and diagnostic applications by targeted high temperature reactions and electron beam irradiation
    Materials Chemistry Frontiers 1 (2017) 2527-2540
    doi:10.1039/C7QM00241F

  • B. Abel, W. Knolle, S. Reichelt, S. Richter, K. Heymann, A. Schulze, K. Fischer
    NanoTrace: TiO2- und Silber-Nanopartikel in nano- und mikrostrukturierten Hybrid-Volumenmaterialien: Applikationen und Risiken
    BMBF 03X0130 - Final report (2015)

  • E. I. Wisotzki, M. Hennes, C. Schuldt, F. Engert, W. Knolle, U. Decker, J. A. Kas, M. Zink, S. G. Mayr,
    Tailoring the material properties of gelatin hydrogels by high energy electron irradiation
    J. Mater. Chem. B 2 (2014) 4297- 4309
    doi:10.1039/c4tb00429a

  • R. Flyunt, W. Knolle, A. Kahnt, A. Prager, A. Lotnyk, J. Malig, D. Guldi, B. Abel
    Mechanistic Aspects of the Radiation-chemical Reduction of Graphene Oxide to Graphene-Like Materials
    Int. J. Radiat Biol. 90 (2014) 486-494
    https://doi.org/10.3109/09553002.2014.907934