Nanopartikel effizienter per Laser erzeugen
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Wie lassen sich winzige Nanoteilchen effizienter und gezielter mit Laserlicht erzeugen? HM-Alumnus Dr. Maximilian Spellauge hat an der Hochschule München (HM) grundlegende Mechanismen der laserbasierten Nanopartikelherstellung experimentell aufgeklärt und einen neuen Produktivitätsrekord erzielt.
München, 6. Mai 2026 – Nanopartikel sind winzige Teilchen, die etwa tausendmal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie spielen in Bereichen wie der Katalyse in der Energietechnik und der biomedizinischen Bildgebung eine zentrale Rolle. HM-Alumnus Dr. Maximilian Spellauge hat seine Dissertation an der Universität Duisburg-Essen im Rahmen einer kooperativen Promotion mit der Hochschule München (HM) verfasst und darin die Grundlagen laserbasierter Herstellungsverfahren systematisch untersucht. Dabei erzielte er zwei wegweisende Ergebnisse: Die maximal erreichbare leistungsspezifische Produktivität bei der Laserabtragung in Flüssigkeit liegt für Gold bei 75 Milligramm pro Stunde und Watt, fast viermal höher als der bisherige Rekordwert von 21 mg/h/W. Für die Aufspaltung einzelner Mikropartikel in kleinere erreichte Spellauge sogar 720 mg/h/W, nahezu eine ganze Größenordnung mehr.
Vom Einzelpuls zum Gesamtbild: Systematische Untersuchung unter kontrollierten Bedingungen
Spellauge führte gezielte Laser-Einzelpuls-Experimente durch, um störende Einflüsse durch Blasenbildung oder bereits erzeugte Partikel auszuschließen. Untersucht wurden die Abtragung von Gold in Flüssigkeit sowie die Fragmentierung einzelner Gold-Mikropartikel in Flüssigkeit. Messungen der Transmission und Reflexion des Lichts lieferten präzise Angaben zur absorbierten Energie. Mit der Pump-Probe-Mikroskopie, einem Verfahren, das Vorgänge im Zeitbereich von Pikosekunden bis Millisekunden sichtbar macht, verfolgte er den gesamten Ablauf der Laser-Materie-Wechselwirkung.
Zwei Wege, ein Ziel: Mechanismen der Nanopartikelbildung im Vergleich
Bei der Ablation von Gold in Flüssigkeit wies Spellauge zwei Entstehungsmechanismen nach: Verdampftes Material kondensiert zu sehr kleinen Partikeln unter zehn Nanometern; der Zerfall einer mechanisch gelösten Oberflächenschicht erzeugt größere Partikel im Bereich von mehrerer zehn Nanometern. Die Effizienz in Flüssigkeit ist gegenüber der Ablation an Luft um den Faktor vier geringer, weil abgetragenes Material teilweise zurückfällt. Die effizientesten Pulsdauern in diesem Prozess liegen zwischen 10 Pikosekunden und 1 Nanosekunde.
Bei der Fragmentierung einzelner Gold-Mikropartikel identifizierte Spellauge drei Mechanismen: zunächst die so genannte photothermische Phasenexplosion, bei der die Partikel des Stoffes schlagartig in den Gaszustand übergehen, die folgende Spallation als Abplatzen von Goldpartikeln sowie die Druckfokussierung. Bei letzterer kommt es durch die Überlagerung von Druckwellen zu einer lokalen Druckverstärkung im Partikel, die dessen Fragmentierung in größere Teilstücke begünstigt. Rund zwei Prozent der absorbierten Energie wurden in neue Partikeloberfläche umgesetzt, gegenüber nur 0,1 Prozent bei der Abtragung von Festkörpern. „Die Ergebnisse zeigen, dass die Fragmentierung einzelner Partikel energetisch deutlich effizienter ist als die Ablation eines Festkörpers in Flüssigkeit. Zugleich wird klar, welche physikalischen Mechanismen die Partikelgröße bestimmen – und wie wir diese künftig gezielt beeinflussen können", sagt der Forscher.
Nachhaltige Nanopartikelherstellung: Anwendungen in Katalyse und Energietechnik
Die Erkenntnisse bieten konkrete Ansatzpunkte zur Prozessoptimierung: Bei der Ablation in Flüssigkeit steigern Pulsaufspaltung oder verlängerte Pulsdauer des Lasers die Produktivität und verbessern die Partikelgrößenverteilung. Bei der Fragmentierung führen die räumliche Formung und Teilung des Laserstrahls ebenfalls zu einer höheren Produktivität und einer gezielteren Einstellung der Partikelgrößenverteilung. Laserbasierte Verfahren kommen ohne chemische Zusätze aus und entsprechen den Prinzipien der Grünen Chemie. Anwendungsfelder sieht Spellauge vor allem in Katalyse und nachhaltiger Energietechnik. Zukünftige Studien sollen die Partikelentstehung zeitaufgelöst beobachten und experimentelle Daten mit numerischen Simulationen verbinden.
Die Dissertation mit dem Titel Laser-based Nanoparticle Generation in Liquids: Mechanistic Insights for Advancing Size Control and Process Efficiency wurde von Maximilian Spellauge an der Hochschule München (HM) als kooperative Promotion von Prof. Dr. Heinz P. Huber (HM), Prof. Dr. Stephan Barcikowski von der Universität Duisburg-Essen (UDE) sowie Dr. Anton Plech vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreut. Die Arbeit entstand in Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen (UDE), insbesondere am Technical Chemistry and Center of Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE). An der HM ist Dr. Maximilian Spellauge als Postdoc tätig. doi.org/10.17185/duepublico/84959
Am 23. April 2026 erhielt Dr. Maximilian Spellauge von der Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik den Oskar-von-Miller-Preis der Hochschule München in der Kategorie Promotion.
Gerne vermitteln wir einen Interviewtermin mit Dr. Maximilian Spellauge.
Kontakt: Christiane Taddigs-Hirsch, T 089 1265-1911 oder per Mail.
Hochschule München Die Hochschule München ist mit über 500 Professorinnen und Professoren, 820 Lehrbeauftragten und über 18.500 Studierenden eine der größten Hochschulen für angewandte Wissenschaften Deutschlands. In den Bereichen Technik, Wirtschaft, Soziales und Design bietet sie rund 100 Bachelor- und Masterstudiengänge an. Exzellent vernetzt am Wirtschaftsstandort München, arbeitet sie eng mit Unternehmen und Institutionen zusammen und engagiert sich in praxisnaher Lehre und anwendungsorientierter Forschung. Die HM belegt im Gründungsradar des Stifterverbands deutschlandweit erneut den ersten Platz unter den großen Hochschulen und Universitäten. Neben Fachkompetenzen vermittelt sie ihren Studierenden unternehmerisches und nachhaltiges Denken und Handeln. Ausgebildet im interdisziplinären Arbeiten und interkulturellen Denken gestalten ihre Absolventinnen und Absolventen eine digital und international vernetzte Arbeitswelt mit. In Rankings zählen sie bei Arbeitgeberinnen und Arbeitgebern zu den Gefragtesten in ganz Deutschland. hm.edu
