@phdthesis{Schummer2021,
  author    = {Schummer, Bernhard},
  title     = {Stabilisierung von CdS Nanopartikeln mittels Pluronic P123},
  doi       = {10.25972/OPUS-23844},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-238443},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Stabilisierung von Cadmiumsulfid CdS mit Pluronic P123, einem Polymer. CdS ist ein Halbleiter, der zum Beispiel in der Photonik und bei optischen Anwendungen eingesetzt wird und ist deshalb {\"a}ußerst interessant, da seine Bandl{\"u}cke als Nanopartikel verschiebbar ist. F{\"u}r die Photovoltaik ist es ein attraktives Material, da es im sichtbaren Licht absorbiert und durch die Bandl{\"u}ckenverschiebung effektiver absorbieren kann. Dies ist unter dem Namen Quantum Size Effekt bekannt. Als Feststoff ist CdS f{\"u}r einen solchen Anwendungsbereich weniger geeignet, zumal der Effekt der Bandl{\"u}ckenverschiebung dort nicht auftritt. Wissenschaftler bem{\"u}hen sich deshalb CdS als Nanopartikeln zu stabilisieren, weil CdS in w{\"a}ssrigen L{\"o}sungen ein stark aggregierendes System, also stark hydrophob ist. Es wurden zwei Kriterien f{\"u}r die erfolgreiche Stabilisierung von CdS festgelegt. Zum einen muss das Cds homogen im Medium verteilt sein und darf nicht agglomerieren. Zum anderen, m{\"u}ssen die CdS Nanopartikel kleiner als 100 A sein. In meiner Arbeit habe ich solche Partikel hergestellt und stabilisiert, d.h. verhindert, dass die Partikel weiterwachsen und gleichzeitig ihre Bandl{\"u}cke verschoben wird. Die Herausforderung liegt nicht in der Herstellung, aber in der L{\"o}sung von CdS im Tr{\"a}gerstoff, da CdS in den meisten Fl{\"u}ssigkeiten nicht l{\"o}slich ist und ausf{\"a}llt. Die Stabilisierung in w{\"a}ssrigen L{\"o}sungen wurde das erste Mal durch Herrn Prof. Dr. Rempel mit Ethylendiamintetraessigs{\"a}ure EDTA erfolgreich durchgef{\"u}hrt. Mit EDTA k{\"o}nnen jedoch nur sehr kleine Konzentrationen stabilisiert werden. Zudem k{\"o}nnen Parameter wie Gr{\"o}ße und Geschwindigkeit der Reaktion beim Stabilisieren der CdS-Nanopartikel nicht angepasst oder beeinflusst werden. Dieses Problem ist dem, vieler medizinischer Wirkstoffe sehr {\"a}hnlich, die in hohen Konzentrationen verabreicht werden sollen, aber nicht oder nur schwer in Wasser l{\"o}slich sind (Bsp. Kurkumin). Ein vielversprechender L{\"o}sungsweg ist dort, die Wirkstoffe in große Tr{\"a}gerpartikel (sog. Mizellen) einzuschleusen, die ihrerseits gut l{\"o}slich sind. In meiner Arbeit habe ich genau diesen Ansatz f{\"u}r CdS verfolgt. Als Tr{\"a}gerpartikel/Mizelle wurde das bekannte Copolymer Pluronic P123 verwendet. Aus dieser Pluronic Produktreihe wird P123 gew{\"a}hlt, da es die gr{\"o}ßte Masse bei gleichzeitig h{\"o}chstem Anteil von Polypropylenoxid PPO im Vergleich zur Gesamtkettenl{\"a}nge hat. P123 ist ein tern{\"a}res Polyether oder Dreiblockkopolymer und wird von BASAF industriell produziert. Es besteht aus drei B{\"o}cken, dem mittlere Block Polypropylenoxid PPO und den beiden {\"a}ußeren Bl{\"o}cken Polyethylenoxid PEO. Der Buchstabe P steht f{\"u}r past{\"o}s, die ersten beiden Ziffern in P123 mit 300 multipliziert ergeben das molare Gewicht und die letzte Ziffer mit 10 multipliziert entspricht dem prozentualen Gewichtsanteil PEO. Die Bildung von Mizellen aus den P123 Molek{\"u}len kann bewusst {\"u}ber geringe Temperatur{\"a}nderungen gesteuert werden. Bei ungef{\"a}hr Raumtemperatur liegen Mizellen vor, die sich bei h{\"o}heren Temperaturen von sph{\"a}rischen in wurmartige Mizellen umwandeln. Oberhalb einer Konzentration von 30 Gewichtsprozent wtp bilden die Mizellen außerdem einen Fl{\"u}ssigkristall. Ich habe in meiner Arbeit zun{\"a}chst P123 mit Hilfe von R{\"o}ntgenstreuung untersucht. Anders als andere Methoden gibt R{\"o}ntgenstreuung direkten Aufschluss {\"u}ber die Morphologie der Stoffe. R{\"o}ntgenstreuung kann die Mischung von P123 mit CdS abbilden und l{\"a}sst darauf schließen, ob das Ziel erreicht werden konnte, stabile CdS Nanopartikel in P123 zu binden. F{\"u}r die Stabilisierung der Nanopartikel ist es zun{\"a}chst notwendig die richtigen Temperaturen f{\"u}r die Ausgangsl{\"o}sungen und gemischten L{\"o}sungen zu finden. Dazu muss P123 viel genauer untersucht werden, als der momentane Kenntnisstand in der Literatur. Zu diesem Zweck als auch f{\"u}r die Analyse des stabilisierten CdS habe ich ein neues Instrument am LRM entwickelt, sowie eine temperierbare Probenumgebung f{\"u}r Fl{\"u}ssigkeiten f{\"u}rs Vakuum, um morphologische Eigenschaften aus Streuamplituden und -winkeln zu entschl{\"u}sseln. Diese R{\"o}ntgenstreuanlage wurde konzipiert und gebaut, um auch im Labor P123 in kleinen Konzentrationen messen zu k{\"o}nnen. R{\"o}ntgenkleinwinkelstreuung eignet sich besonders als Messmethode, da die Probe mit einer hohen statistischen Relevanz in Fl{\"u}ssigkeit und in verschiedenen Konzentrationen analysiert werden kann. F{\"u}r die Konzentrationen 5, 10 und 30 wtp konnte das temperaturabh{\"a}ngige Verhalten von P123 pr{\"a}zise mit R{\"o}ntgenkleinwinkelstreuung SAXS gemessen und dargestellt werden. F{\"u}r 5 wtp konnten die Gr{\"o}ßen der Unimere und Mizellen bestimmt werden. Trotz der nicht vorhandenen Absolutkalibration f{\"u}r diese Konzentration konnten dank des neu eingef{\"u}hrten Parameters kappa eine Dehydrierung der Mizellen mit steigender Temperatur abgesch{\"a}tzt, sowie eine Hysterese zwischen dem Heizen und Abk{\"u}hlen festgestellt werden. F{\"u}r die Konzentration von 10 wtp wurden kleinere Temperaturschritte gew{\"a}hlt und die Messungen zus{\"a}tzlich absolut kalibriert. Es wurden die Gr{\"o}ßen und Streul{\"a}ngendichten SLD der Unimere und Mizellen pr{\"a}zise bestimmt und ein vollst{\"a}ndiges Form-Phasendiagramm erstellt. Auch f{\"u}r diese Konzentration konnte eine Hysterese eindeutig an der Gr{\"o}ße, SLD und am Parameter kappa gezeigt werden, sowie eine Dehydrierung des Mizellenkerns. Dies beweist, dass der Parameter kappa geeignet ist, um bei nicht absolut kalibrierten Messungen, Aussagen {\"u}ber die Hydrierung und Hysterese komplexer Kern-H{\"u}lle Modelle zu machen. F{\"u}r die Konzentration von 30 wtp konnte zwischen 23°C und 35°C eine FCC Struktur nachgewiesen werden. Dabei vergr{\"o}ßert sich die Gitterkonstante der FCC Struktur von 260 A auf 289 A in Abh{\"a}ngigkeit der Temperatur. Durch das Mischen zweier L{\"o}sungen, zum einen CdCl2 und 30 wtp P123 und zum anderen Na2S und 30 wtp P123, konnte CdS erfolgreich stabilisiert werden. Mit einer Kamera wurde die Gelbf{\"a}rbung der L{\"o}sung, und somit die Bildung des CdS, in Abh{\"a}ngigkeit der Zeit untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass das Bilden der CdS Nanopartikel je nach Konzentration und Temperierprogramm zwischen 30 und 300 Sekunden dauert und einer logistischen Wachstumsfunktion folgt. H{\"o}here Konzentrationen CdS bewirken einen schnelleren Anstieg der Wachstumsfunktion. Mittels UV-Vis Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die Bandl{\"u}cke von CdS mit steigender Konzentration konstant bei 2,52 eV bleibt. Eine solche Verschiebung der Bandl{\"u}cke von ungef{\"a}hr 0,05 eV im Vergleich zum Festk{\"o}rper, deutet auf einen CdS Partikeldurchmesser von 80A hin. Mit SAXS konnte gezeigt werden, dass sich die fl{\"u}ssigkristalline Struktur des P123 bei zwei verschiedenen Konzentrationen CdS, von 0,005 und 0,1 M, nicht {\"a}ndert. Das CdS wird zwischen den Mizellen, also durch die Bildung des Fl{\"u}ssigkristalls, und im Kern der Mizelle aufgrund seiner Hydrophobizit{\"a}t stabilisiert. Die Anfangs definierten Kriterien f{\"u}r eine erfolgreiche Stabilisierung wurden erf{\"u}llt. P123 ist ein hervorragend geeignetes Polymer, um hydrophobes CdS, sowohl durch die Bildung eines Fl{\"u}ssigkristalls, als auch im Kern der Mizelle zu stabilisieren.},
  subject      = {R{\"o}ntgen-Kleinwinkelstreuung},
  language  = {de}
}