RUB-Chemiker "backen" molekulare Baumkuchen
Alternative Herstellungsmethoden für MOFs: Geschichtet, nicht gerührt
Poröse Materialien werden in der Chemie heiß gehandelt: Ihr Anwendungsspektrum reicht von der saugkräftigen Babywindel bis hin zum leistungsstarken Katalysator oder zum effizienten Tank für Gase und Flüssigkeiten. Weltweit tüfteln Forscher an der Herstellung dieser Substanzen, sog. MOFs (für engl.: Metal-Organic Frameworks), die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden. Im Rahmen einer Zusammenarbeit haben jetzt Bochumer Chemiker (Prof. Dr. Christof Wöll und Prof. Dr. Roland A. Fischer, Fakultät für Chemie und Biochemie der RUB) eine neue Methode entwickelt, MOFs herzustellen: Anstatt die Komponenten einfach zu mischen und dann reagieren zu lassen, tragen sie sie schichtweise auf eine Oberfläche auf und können so ganz neue und viel komplexere MOFs erzeugen. "Man kann sich das so vorstellen wie das Backen eines Baumkuchens", verdeutlicht Prof. Wöll. "Der Teig wird nicht wie üblich erst gerührt und dann gebacken, sondern lagenweise aufgetragen - so wird die Kombination unzähliger verschiedener Teigsorten in einem Kuchen möglich."
Einen MOF kann man sich vorstellen wie ein winziges Regalsystem, bei dem Bretter und Streben aus speziellen Molekülen bestehen. In die einzelnen Fächer lassen sich Stoffe einlagern, zum Beispiel Gasmoleküle. Interessanterweise passen in den MOF-gefüllten Tank mehr Moleküle als in den leeren Tank: In den Regalfächern werden die Moleküle an die Bretter gebunden und rücken dadurch dichter aneinander heran. Das macht die MOFs zum Beispiel interessant für die Entwicklung wasserstoffbetriebener Brennstoffzellen-Autos. In die einzelnen Regalfächer können aber auch Metall-Nanocluster eingebettet werden: So wird dann aus einer MOF-beschichteten Oberfläche ein Sensor.
Normalerweise werden die MOF-Substanzen durch einfaches Mischen von zwei Ausgangssubstanzen und anschließende Behandlung mit höheren Temperaturen hergestellt - so ähnlich wie beim Kuchenbacken. Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Physikalischen und der Anorganischen Chemie entstand die Idee, ein neues Syntheseverfahren zu erproben. Dabei werden die Ausgangssubstanzen nicht gemischt, sondern ein Trägermaterial wird jeweils nacheinander in verschiedene Lösungen einzelner Substanzen eingetaucht. Das (ggf. automatisierte) Wiederholen dieser Schritte ermöglicht die Herstellung sehr homogener Schichten in einem Lage-für-Lage-Verfahren - der Herstellung eines Baumkuchens vergleichbar. Überraschend für die Forscher war, dass die strukturelle Qualität dieser Schichten sehr hoch ist. In einigen Fällen wird sogar die strukturelle Qualität der mit dem klassischen Verfahren erzielten Ergebnisse noch übertroffen. "Noch wichtiger ist allerdings, dass uns das Verfahren die Herstellung ganz neuartiger MOFs ermöglicht", so Prof. Fischer. Mehr Komponenten und eine gezielte Anordnung der einzelnen Schichten rücken in den Bereich des Möglichen. Bis zu 100 Schichten können die Bochumer Chemiker heute übereinander auftragen. Die gesamte Schichtstärke beträgt dann ca. 100 nm, genug für die Beschichtung von Sensor-Oberflächen.
Originalveröffentlichung: O. Shekhah, H. Wang, S. Kowarik, F. Schreiber, M. Paulus, M. Tolan, Ch. Sternemann, F. Evers, D. Zacher, R. A. Fischer, and Ch. Wöll: "Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal-Organic Frameworks."; J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15118-15119.
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