Team
Der Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf den so genannten molekularen Schaltern, Verbindungen, welche durch einen externen Stimulus ihre Eigenschaften ändern können und so als Sensoren oder in Zukunft Datenspeicher genutzt werden können.
Als weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Mößbauerspektroskopie in der Arbeitsgruppe etabliert. Diese Methode lässt eine präzise Untersuchung der oben genannten schaltbaren Verbindungen zu. Miniaturisierte Mößbauerspektrometer wurden bereits bei verschiedenen Weltraummissionen erfolgreich eingesetzt.
Molekulare Schalter
Das Spin-Crossover-Phänomen (kurz: SCO) beschreibt den reversiblen Übergang zwischen verschiedenen elektronischen Konfigurationen einer Koordinationsverbindung durch externe Stimulation (Temperatur, Druck, Licht, chemische Umgebung etc.) und wurde erstmals in den frühen Dreißigerjahren des 20. Jahrhunderts von Cambi und Maltesta anhand einer temperaturabhängigen Änderung der magnetischen Suszeptibilität von Fe(III)-Koordinationsverbindungen beobachtet. Ein zuvor unbekannter Stimulus, harte Röntgenstrahlung, wurde von Prof. Dr. Renz während seiner Promotion entdeckt und ist als strong-field-LIESST-Effekt bekannt. Er konnte dabei zeigen, dass ein Spin-Crossover durch Licht verschiedener Wellenlängen hervorgerufen und stabilisiert werden kann.
Spin-Crossover-Verbindungen erfahren aufgrund ihres Potenzials für die Miniaturisierung elektronischer Bauteile seit vielen Jahren ein steigendes Interesse in der Koordinationschemie. Mit dem SCO gehen auch signifikante schaltbare Eigenschaftsänderungen (Volumen, Farbigkeit, Magnetismus, …) einher, die in verschiedenen nanoskopischen Anwendungen, wie z. B. Datenspeichern oder Sensoren, genutzt werden können. Bis heute sind allerdings nur wenige technische Anwendungen auf Grundlage des Spin-Crossover-Effekts erforscht.
Die synthetisierten und charakterisierten Spin-Crossover-Verbindungen können dazu in Kompositen als Smart Materials vielfältig eingesetzt werden. Beispielsweise als Beschichtungen, Fasern oder 3D gedruckte Komponenten. Hierfür unterhält die Arbeitsgruppe Renz eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr.-Ing. Sindelar von der Hochschule Hannover.
Eine Möglichkeit, eindimensionale Polymerfasern im Nanobereich herzustellen, ist das sogenannte Elektrospinning, welches in der Arbeitsgruppe von Herrn Sindelar durchgeführt werden kann. Das Electrospinning-Verfahren beruht auf der Wirkung von elektrostatischen Kräften auf freie Ladungsträger einer polymerischen Flüssigkeit. Zwischen einer befüllten Spritze und einem Kollektor wird durch eine angelegte Hochspannungsquelle die polymerische Flüssigkeit hochbeschleunigt, elongiert und nach Verdampfen der Lösung als Nanofaser gewonnen. Die hohe Oberfläche der Fasern ist attraktiv für Anwendungen als Sensor oder Filter.
Mößbauerspektroskopie
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NASA/JPL/Cornell University
Die Mößbauerspektroskopie ist eine hochpräzise Methode zur Analyse von verschiedenen Elementen. Sie beruht auf dem Mößbauer-Effekt, der rückstoßfreien Kernresonanzabsorption von γ-Strahlen und wurde nach ihrem Entdecker Rudolf Mößbauer (1929–2011) benannt. Anhand dieser spektroskopischen Methode können Bindungs- und magnetische Eigenschaften von Feststoffen untersucht werden. In der Forschung wird mithilfe von Mößbauerspektroskopie hauptsächlich Eisen und Zinn sowie deren Verbindungen untersucht, wobei 57Fe und 119Sn die Mößbauer aktiven Isotope sind.
Im Laufe der Jahre wurde die Mößbauerspektroskopie weiterentwickelt und verfeinert. Fortschritte in Elektronik und Maschinenbau boten die Möglichkeit zur Miniaturisierung von Mößbauer-Spektrometern. Der Physiker Göstar Klingelhöfer (1956–2019) und seine Arbeitsgruppe von der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz und der Technischen Universität in Darmstadt entwickelten so das miniaturisierte Mößbauerspektrometer MIMOS II, welches im Zuge der Marsmissionen auf den Rovern Spirit und Opportunity eingesetzt wurde. Sie lieferten Erkenntnisse über ehemals vorhandenes Wasser auf dem Mars.
Die AG Renz arbeitet an der Verbesserung der durch Klingelhöfer etablierten Geräte. Hierfür wurde eine Kooperation mit der Hochschule Hannover aufgebaut. Gegenwärtig werden neben Spin-Crossover-Verbindungen auch zahlreiche Mineralien wie Meteoriten, Mond Returnproben sowie Analogproben terrestrischen Ursprungs analysiert. Im Rahmen eines Projekts zur sicheren Endlagerung radioaktiver Abfälle wird von der AG Renz mithilfe von Mößbauerspektroskopie die Tauglichkeit verschiedener Füllmaterialien evaluiert.
Wasserstoffspeichermaterialien
Eines der neuen Forschungsthemen der Renz-Gruppe ist die Speicherung von Wasserstoff in Feststoffmaterialien auf Basis von Kohlenstoffnitrid. Bei der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger treten bisher unzureichend gelöste Probleme für eine großflächige Nutzung auf, insbesondere eine energetisch effiziente Speicherung im industriellen und Transportsektor. Daher ist die Erforschung neuer Wasserstoffspeichersysteme für eine effiziente Ausgestaltung der Energiewende in allen Sektoren und deren Kopplung von enormer Relevanz.
Ein vielversprechendes Material für die Speicherung ist graphitisches Kohlenstoffnitrid (g-C₃N₄, siehe Abbildung). Es ist umweltfreundlich, leicht zu synthetisieren und verfügt über hervorragende chemische und physikalische Eigenschaften. Der Schwerpunkt dieses Forschungsbereichs liegt auf der Modifizierung der Oberfläche, um eine möglichst hohe Speicherdichte zu erreichen, da die spezifische Oberfläche von g-C₃N₄ sehr gering ist. Außerdem wird versucht, Koordinationsverbindungen in die Matrix einzubauen, um die Speicherkapazität des Materials zu erhöhen und gezielt schalten zu können.
Kooperationen
Leitung
Prof. Dr. Dr. h. c. Franz Renz
Adresse
Callinstraße 1
30167 Hannover
30167 Hannover
Gebäude
Raum
