Forschungsschwerpunkte von Dr. Florian Schulz & Team

Unsere stark interdisziplinäre Forschung konzentriert sich auf Nanopartikel und deren Anordnungen sowie auf deren Struktur und Dynamik. Sie wäre ohne hervorragende Kooperationen und engagierte Studierende nicht möglich. Wenn Sie Interesse haben, eine Abschlussarbeit zu diesen Themen zu verfassen, können Sie sich gerne mit uns in Verbindung setzen!

Synthese und Oberflächenchemie von Nanopartikeln

Wir verfügen über umfassende Expertise in der Synthese, Funktionalisierung und Charakterisierung von Goldnanopartikeln (AuNP), aber auch anderer Metall-, Metalloxid-, Halbleiter- und Kohlenstoffnanomaterialien unterschiedlicher Größe und Form. Wir haben einfache und robuste Synthesen für AuNP entwickelt, die heute als Referenz im Hinblick auf Größenreproduzierbarkeit, Dispersität und Homogenität gelten, sowie PEG-basierte Liganden, die Nanopartikel verschiedener Größe, Form und Materialien hervorragend chemisch und kolloidal stabilisieren. Dies ist von größter Bedeutung im Kontext der Nanomedizin und für die Synthese hochdefinierter Supragitter.

 Ausgewählte Publikationen:

Wir haben robuste Protokolle für die Herstellung plasmonischer Superkristalle in bisher unerreichter Größenordnung und Qualität entwickelt. Diese Überstrukturen zeigen ausgeprägte Licht-Materie-Wechselwirkungen wie „deep strong coupling“ bei Raumtemperatur, was einen bedeutenden Durchbruch darstellt. Die beobachteten kollektiven plasmonischen Eigenschaften dieser Superkristalle sind tatsächlich emergent und hängen wesentlich von der Ordnung und Geometrie der Strukturen ab. Durch gezielte Variation der Geometrie lässt sich die Kopplungsstärke sowie die plasmonische Bandstruktur einstellen, was beispiellose Möglichkeiten für Licht-Materie-Kopplungen im Nanomaßstab eröffnet. Eine präzise strukturelle Charakterisierung ist von entscheidender Bedeutung, die uns durch Experimente an Synchrotronquellen wie dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gelungen ist. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf komplexere Superstrukturen sowie auf deren optische und thermische Eigenschaften und Anwendungen in oberflächenverstärkten Spektroskopien und der Katalyse.

Ausgewählte Publikationen:

• Marcone, J.; Juergensen, S.; Barrios-Capuchino, J.; Li, X.; Goldmann, C.; Köppen, A.; Pfeiffer, W.; Lehmkühler, F.; Parak, W. J.; Kociak, M.; Impéror-Clerc, M.; Reich, S.; Hamon, C.; Schulz, F., Plasmonic Polymorphs by Combining Shape Anisotropy and Soft Interactions in Bipyramid Thin Films. Small 2025, 21 (31), 2500389. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202500389
• Herran, M.; Juergensen, S.; Kessens, M.; Hoeing, D.; Köppen, A.; Sousa-Castillo, A.; Parak, W. J.; Lange, H.; Reich, S.; Schulz, F.; Cortés, E., Plasmonic bimetallic two-dimensional supercrystals for H2 generation. Nature Catalysis 2023, 6 (12), 1205-1214. https://www.nature.com/articles/s41929-023-01053-9#Ack1
• Mueller, N. S.; Pfitzner, E.; Okamura, Y.; Gordeev, G.; Kusch, P.; Lange, H.; Heberle, J.; Schulz, F.; Reich, S., Surface-Enhanced Raman Scattering and Surface-Enhanced Infrared Absorption by Plasmon Polaritons in Three-Dimensional Nanoparticle Supercrystals. ACS Nano 2021, 15 (3), 5523-5533. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c00352
• Schulz, F.; Pavelka, O.; Lehmkuhler, F.; Westermeier, F.; Okamura, Y.; Mueller, N. S.; Reich, S.; Lange, H., Structural order in plasmonic superlattices. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 3821-(1-9). https://www.nature.com/articles/s41467-020-17632-4
• • Mueller, N. S.; Okamura, Y.; Vieira, B. G. M.; Juergensen, S.; Lange, H.; Barros, E. B.; Schulz, F.; Reich, S., Deep strong light-matter coupling in plasmonic nanoparticle crystals. Nature 2020, 583 (7818), 780-784. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2508-1

Beiträge von Studierenden (Abschlussarbeiten): Finn Dobschall (Bachelor), Lukas Mielke (Bachelor), Juan Barrios-Capuchino (PhD), Sarodi Jonak Dutta (PhD, laufend), Luisa Wartner (Bachelor), Marius Thiem (Bachelor), Samira Beiki (Master), Zahra Arabi (Master), Shivani Kesarwani (inzwischen an der Universität Potsdam, laufend)

Kohärente Röntgenstreuung

Die Fähigkeit, Nanopartikel mit geringer Dispersität und hoher Stabilität – selbst bei sehr hohen Konzentrationen – zu synthetisieren, hat die Untersuchung faszinierender Dispersionsverhalten in situ an Synchrotronquellen ermöglicht, selbst unter extremen Bedingungen wie hohem hydrostatischem Druck. Darüber hinaus hat unsere Forschung die thermoreversible Bildung kolloidaler Gele aufgezeigt, die wir mithilfe der Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS) untersucht haben, um Korrelationsfunktionen zu erhalten, welche die Systemdynamik über relevante Zeitskalen hinweg beschreiben.

Die oben beschriebenen plasmonischen Superkristalle werden mittels Dünnschicht-Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) in Kombination mit der Röntgen-Kreuzkorrelationsanalyse (XCCA) charakterisiert. Durch die Korrelation von Elektronenmikroskopie und SAXS an mikroskopisch definierten Bereichen gelingt es uns, subnanometergroße Struktureigenschaften statistisch belastbar zu erfassen.

Diese Beispiele verdeutlichen das erhebliche synergetische Potenzial der Verwendung von AuNP – starken Streuzentren – in modernen, kohärenten SAXS-basierten Experimenten. AuNP dienen hierbei als hervorragende Modellsysteme, die sowohl als inerte Tracerpartikel in Dynamikstudien fungieren als auch zur Aufklärung von Struktur und Dynamik komplexer Materialien, einschließlich biologischer Systeme, beitragen.

Ausgewählte Publikationen:

•  Jain, A.; Schulz, F.; Lokteva, I.; Frenzel, L.; Grubel, G.; Lehmkuhler, F., Anisotropic and heterogeneous dynamics in an aging colloidal gel. Soft Matter 2020, 16 (11), 2864-2872. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sm/c9sm02230a
• Schulz, F.; Lokteva, I.; Parak, W. J.; Lehmkuhler, F., Recent Notable Approaches to Study Self-Assembly of Nanoparticles with X-Ray Scattering and Electron Microscopy. Part. Part. Syst. Charact. 2021, 38 (9), 2100087-(1-28). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202100087
• •Otto, F.; Dallari, F.; Westermeier, F.; Wieland, D. C. F.; Parak, W. J.; Lehmkühler, F.; Schulz, F., The dynamics of PEG-coated nanoparticles in concentrated protein solutions up to the molecular crowding range. Aggregate 2024, 5 (3), e483. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/agt2.483

Beiträge von Studierenden (Abschlussarbeiten): Ferdinand Otto (PhD), Jette Bleicken (Master), Robbert Schütt (PhD, laufend)

Pump probe Experimente

Die präzise Kontrolle von Größe, Homogenität, Dispersität und Kristallinität von Nanopartikeln ermöglicht systematische Untersuchungen der Plasmonenrelaxation, die für die plasmonische Photokatalyse von entscheidender Bedeutung ist. Mittels transiente Absorptionsspektroskopie konnten wir die Beiträge von Bandübergängen und plasmonischer Absorption zur Erzeugung heißer Elektronen durch Quantifizierung der Elektron-Phonon-Kopplung voneinander trennen. Hochauflösende strukturelle Einblicke aus Experimenten an Freie-Elektronen-Lasern (FLASH und European XFEL, Hamburg) vertieften unser Verständnis der Erzeugung und Relaxation heißer Elektronen. Darüber hinaus tragen wir mit Probenentwicklung zu Single-Particle-Imaging-(SPI)-Studien (European XFEL, Hamburg) bei, die vielversprechende Fortschritte für das SPI biologisch relevanter Strukturen erwarten lassen.

 

Ausgewählte Publikationen:

• Hoeing, D.; Salzwedel, R.; Worbs, L.; Zhuang, Y. L.; Samanta, A. K.; Lubke, J.; Estillore, A. D.; Dlugolecki, K.; Passow, C.; Erk, B.; Ekanayake, N.; Ramm, D.; Correa, J.; Papadopoulou, C. C.; Noor, A. T.; Schulz, F.; Selig, M.; Knorr, A.; Ayyer, K.; Kupper, J.; Lange, H., Time-Resolved Single-Particle X-ray Scattering Reveals Electron-Density Gradients As Coherent Plasmonic-Nanoparticle-Oscillation Source. Nano Lett. 2023, 23 (13), 5943-5950.  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c00920

• Ayyer, K. et al., 3D diffractive imaging of nanoparticle ensembles using an x-ray laser. Optica 2021, 8 (1), 15-23. https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-1-15

• Minutella, E.; Schulz, F.; Lange, H., Excitation-Dependence of Plasmon-Induced Hot Electrons in Gold Nanoparticles. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8 (19), 4925-4929. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.7b02043

Beiträge von Studierenden (Abschlussarbeiten): Sarodi Jonak Dutta (PhD, laufend)