Forscher entdecken spektakuläre Vielfalt nanoporöser Kristalle
Wissenschaftler der Freien Universität Brüssel und der Universität Leipzig haben bisher unbekannte Mechanismen des Molekültransportes in nanoporösen Materialien entdeckt. Sie widerlegten damit eine über Jahrzehnte unwidersprochene Annahme, indem sie zeigten, dass sich jedes einzelne nanoporöse Kristall sehr unterschiedlich verhalten kann. Diese Entdeckung führt zu einer radikalen Wende in der Erforschung des Gebietes. Bisher waren die Forscher von der falschen Annahme annähernder Gleichheit im Verhalten der einzelnen Kristalle ausgegangen.
Nanoporöse Materialien, wie zum Beispiel Zeolithe oder metall-organische Gerüstverbindungen, enthalten Poren mit Durchmessern von weniger als einem Millionstel eines Millimeters, in denen Moleküle gespeichert oder in andere Moleküle umgewandelt werden können. Sie sind für unsere Gesellschaft von großer Bedeutung und finden vielfältige Anwendungen, etwa als umweltfreundliche Katalysatoren zur Beschleunigung der chemischen Umwandlung von Molekülen in technisch wertvolle Endprodukte und als molekulare "Schwämme" zur Reinigung von Gasen und Flüssigkeiten, zur Aufnahme von Kohlendioxid oder für medizinische Anwendungen.
Die Entwicklung und weitere Verbesserung solcher Anwendungen hängt entscheidend vom Verständnis der Mechanismen des Molekültransportes in den Nanoporen ab. So wird zum Beispiel die Geschwindigkeit chemischer Umwandlungen in den Nanoporen ganz wesentlich von der Transportgeschwindigkeit bestimmt. Da nanoporöse Kristalle aus identischen Bausteinen zusammengesetzt sind, haben die Forscher bisher angenommen, dass die Mechanismen und die Geschwindigkeit des Molekültransports für die verschiedenen Kristalle ein und derselben Familie identisch sind.
In ihren Untersuchungen zur Gewinnung von Bio-Alkoholen als Alternative für Erdöl-Folgeprodukte arbeitete das belgische Forscherteam um Prof. Joeri Denayer und Dr. Julien Cousin-Saint-Remi (Freie Universität Brüssel) mit den Physiker-Kollegen der Universität Leipzig um Prof. Dr. Jörg Kärger und Prof. Dr. Jürgen Haase zusammen. Sie wollten grundlegende Einsicht in die Transportmechanismen von Alkohol-Molekülen in nanoporösen Festkörpern gewinnen. Durch den Einsatz hochentwickelter Techniken der Mikro-Bildgebung, wie sie von den Leipziger Physikern um Kärger und Haase entwickelt wurden, konnte auf diesem Wege nachgewiesen werden, dass sich bei scheinbar identischen Kristallen die Transportgeschwindigkeiten um Größenordnungen unterscheiden können.
Diese Beobachtung lässt nicht nur die gegensätzlichen, einander oft widersprechenden Ergebnisse, von denen in der Vergangenheit berichtet wurde, in einem völlig anderen Licht erscheinen. Sie ist auch für die Entwicklung effizienterer chemischer Prozesse von großer Bedeutung. "Die klassischen Methoden zur Untersuchung des Molekültransports gestatten es lediglich, das Transportverhalten gemittelt über viele Kristalle zu betrachten. Das kann aber zu völlig falschen Schlussfolgerungen in Hinblick auf die tatsächlich vorherrschenden Transportmechanismen und die ihnen zugrunde liegenden Materialeigenschaften führen", erklärt Kärger.
Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit helfen so anderen Forschern, die Diffusionsmechanismen in nanoporösen Materialien besser zu verstehen. Die detailgetreue Erforschung einzelner Kristalle ist somit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung neuer und besserer Materialien.
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