Poröse Materialien mit Potenzial

26.03.2014 - Deutschland

Kristalline poröse Materialien spielen eine große Rolle in der chemischen Industrie. In ihren Poren können beispielsweise katalytische Reaktionen durchgeführt oder Moleküle und Ionen eingelagert werden. Doch wie dies geschieht und wie sich diese Materialien bilden ist weitgehend unbekannt. Das wollen Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universitäten Bochum, Stockholm und Uppsala mit brillanter Röntgenstrahlung ändern.

Fast 2,5 Millionen Euro Fördergelder konnten sie für das internationale Projekt einsammeln. Knapp die Hälfte kommt dabei vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Am Ende könnten völlig neue Materialien zur Verfügung stehen, die für neue Anwendungen maßgeschneidert wurden.

Die wichtigsten Vertreter der sogenannten mikroporösen Materialien sind Zeolithe und metallorganische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs). Deren Porenöffnungen liegen im Nanometerbereich, wodurch kleinere Moleküle und Ionen in die Poren eindringen können. Durch die große Anzahl solcher Poren können gigantisch viele „Gastmoleküle“ aufgenommen werden, die mit den Porenwänden wechselwirken. Zeolithe werden vor allem bei der Rohölraffinierung, in Katalysatoren von Dieselmotoren und als Wasserenthärter in Waschmitteln eingesetzt.

„Um neue Anwendungen zu erschließen, synthetisieren wir neue mikroporöse Materialien und untersuchen deren Eigenschaften. Dabei ist es vor allem wichtig auf atomarer Ebene zu verstehen wie diese gebildet werden und auch wie diese funktionieren“, sagt Professor Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie der Uni Kiel. Trotz jahrzehntelanger Bemühungen weiß man über diese Prozesse noch relativ wenig. Denkbar sei, dass neue mikroporöse Materialien auch in der Medizin eingesetzt werden: „Wirkstoffe können in die porösen Materialien eingelagert werden und dann im menschlichen Körper an einem bestimmten Zielort langsam abgegeben werden“, beschreibt Stock.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Wolfgang Bensch und Partnern der Universität Bochum will Stock nun Messzellen bauen, in denen die chemischen Reaktionen live beobachtet werden können. Sehr intensives Röntgenlicht soll dabei helfen, die Bildung der Materialien und die Wechselwirkung der Moleküle mit den Porenwänden präzise zu bestimmen. Dafür nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem die brillante Strahlung am Teilchenbeschleunigerring PETRA III im Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg. Unter verschiedenen Reaktionsdrücken und -temperaturen sowie automatisierter Dosierung der Ausgangsstoffe stellen Stock und seine Kolleginnen und Kollegen dort in den neuen Reaktionszellen die neuen Materialien her. Die ersten Reaktionszellen sollen bereits in wenigen Monaten bereit stehen.

Die schwedischen Forscherinnen und Forschern aus Stockholm und Uppsala werden in Zukunft die Zellen am zurzeit im Bau befindlichen Teilchenbeschleuniger MAXLAB IV in Lund einsetzen. Dort wollen Chemikerinnen und Chemiker zusätzlich die Einlagerung von Gastmolekülen sowie die Eigenschaften dieser Systeme untersuchen.

Die am Projekt „MATsynCELL“ beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind Teil des Röntgen-Ångström-Clusters, in dem deutsche und schwedische Einrichtungen mithilfe von Synchrotron- und Neutronenstrahlung gemeinsam an Fragestellungen der Materialwissenschaft arbeiten.

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