Sebastian Zimmermann und Aaron Justin Koenig erproben innerhalb der Gruppe „Angewandte Analytische Photonik“ die Methode der Photonendichtewellen-Spektroskopie, mit der chemische, physikalische und biologische Prozesse in unverdünnten, trüben Flüssigkeiten im industriellen Maßstab und in Echtzeit überwacht werden können. Glasfasern leiten dabei Laserlicht durch die Probe, deren Eigenschaften die Lichtintensität verändern. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Probe ziehen. Mit dem vorgestellten Experiment, einer Neutralisationsreaktion einer Säure mit einer Base, bei der Siliziumdioxid ausfällt, wird im Labor die Messtechnik getestet und weiterentwickelt. Diese Technik kommt auch beim Herstellen von Nanopartikeln oder in der Algenzucht zum Einsatz.
- Zunächst wird destilliertes Wasser in einem Sechs-Liter-Glasreaktor auf 80 Grad Celsius aufgeheizt. Die benötigten Chemikalien Schwefelsäure (H2SO4) und Wasserglas (Na2SiO3) werden abgemessen und vorbereitet.
- Sebastian Zimmermann schließt die Glasfaserkabel der im Reaktor befindlichen Messsonde für die Photonendichtewellen-Spektroskopie an das Spektrometer an.
- Aaron Justin Koenig gibt die Dosierungsschläuche in die Chemikalienbehälter mit Schwefelsäure bzw. Wasserglas und hängt die pH-Sonde zur Überwachung der Neutralisationsreaktion in den Reaktor ein.
- Die Wissenschaftler führen eine Testmessung mit der Sonde durch. Die eingetauchten Stäbe dienen als Laserquellen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich, um Photonendichtewellen in der lichtstreuenden Lösung zu erzeugen.
- Sebastian Zimmermann konfiguriert das automatische Syntheseprogramm am Computer ein und startet es. Der pH-Wert wird zum Beginn der Messung mit einem Milliliter der Wasserglaslösung eingestellt.
- Die Schläuche zum Einleiten der Schwefelsäure und der Wasserglaslösung in den Reaktor werden vorgespült, damit kein Restwasser die Messung verfälscht, und anschließend in den Reaktor eingehängt.
- Während die Chemikalien in den Reaktor gepumpt werden, entnimmt Aaron Justin Koenig alle fünf Minuten mit einer Glaspipette eine Probe aus der gemischten Lösung. Diese Proben werden für eine andere Technik im Nebenlabor verwendet: die dynamische Lichtstreuung zur Messung der Partikelgrößenverteilung.
- Die Lösung geliert und ihre Farbe schlägt auf Weiß um. Den Viskositätsanstiegspunkt, ein Maß für die Zähflüssigkeit der Lösung, lesen die Wissenschaftler am relativen Drehmoment ab, das dann seinen höchsten Wert hat.
- Die Synthese ist beendet. Am Computer werden die Daten der Messsonde analysiert und verglichen. Anschließend wird der Reaktor mit der Lösung heruntergekühlt.
Die Forschenden
Sebastian Zimmermann arbeitet im Projekt NanoPAT und promoviert in physikalischer Chemie.
E-Mail: sebastian.zimmermannuuni-potsdampde
Aaron Justin Koenig arbeitet im Projekt NanoPAT und promoviert in physikalischer Chemie.
E-Mail: aaron.koeniguuni-potsdampde
Das Projekt
Das NanoPAT-Konsortium, bestehend aus 16 Partnern aus acht verschiedenen Ländern, entwickelt im Rahmen des durch Horizon 2020 geförderten EU-Projektes drei neuartige Echtzeit-Prozessanalysetechnologien zur Untersuchung von Nanopartikelsynthesen mit Fokus auf der In-Situ-Applikation der Techniken und der direkten Verknüpfung mit teilnehmenden Industriepartnern.
Beteiligt: IRIS Technology Solutions, Universität Potsdam, Medizinische Universität Graz, POLYMAT, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, PDW Analytics GmbH, ANALISIS-DSC, Covestro AG, Evonik Industries AG, FLUIDINOVA, S.A., Arkema France, Creative Nano, TEMAS Solutions GmbH, Bio- NanoNet, Forschungsgesellschaft mbH, EXELISIS PC, BRAVE Analytics GmbH
Förderung: Europäische Union / HORIZON 2020
Laufzeit: 06/2020–06/2024
Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Eins 2024 „Bildung:digital“ (PDF).