Deuterium aus dem Quantensieb

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03.12.2012 17:05

Deuterium aus dem Quantensieb

Klaus P. Prem Presse - Öffentlichkeitsarbeit - Information
Universität Augsburg

    Von Augsburger Chemikern synthetisierte metallorganische Gerüstverbindung ermöglich effizientere Trennung von Wasserstoff-Isotopen.

    Augsburg/MPG/KPP - Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart, der Jacobs University Bremen und der Universität Augsburg berichten im Journal "Advanced Materials" von einer neuen Methode, mit der es ihnen gelungen ist, Wasserstoff und sein schweres Isotop Deuterium effizienter als bisher zu trennen. Deuterium dient als Hilfsmittel, um etwa die Struktur unbekannter Stoffe zu bestimmen. Mit ihm untersuchen Chemiker aber auch, wie Reaktionen ablaufen, an denen Wasserstoff beteiligt ist, und schaffen so die Basis, um die Umwandlung zu optimieren. Biologen analysieren mit Deuterium unter anderem Stoffwechselprozesse.

    Das Forscherteam aus Stuttgart, Bremen und Augsburg konnte festgestellen, dass eine bestimmte metallorganische Gerüstverbindung, kurz MOF für "metalorganic framework", bei Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius leichter Deuterium als gewöhnlichen Wasserstoff aufnimmt. Diese spezielle Gerüstverbindung MFU-4 wurde von Chemikern um Prof. Dr. Dirk Volkmer am Lehrstuhl für Festkörperchemie der Universität Augsburg synthetisiert. Sie besteht aus Zinkionen, die mit organischen Molekülen vernetzt sind, und weist käfigartige Hohlräume auf, die durch besonders enge Öffnungen miteinander verbunden sind.

    Metallorganische Gerüstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich poröse Materialien für spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. "Es gibt inzwischen Tausende derartiger Verbindungen, von denen die meisten allerdings den hohen technischen Anforderungen an die Stabilität nicht genügen. Mit MFU-4 haben wir jetzt eine Familie von porösen Materialien entwickelt, die auch für industrielle Anwendungen attraktiv wäre", erläutert Volkmer.

    Bei Experimenten am Stuttgarter MPI für Intelligente Systeme wurde MFU-4 bei minus 223 Grad Celsius für wenige Minuten einem Gasgemisch aus gleichen Teilen Wasserstoff und Deuterium ausgesetzt und anschließend auf über minus 200 Grad erwärmt. Dabei zeigte sich, dass das schwerere Deuterium schneller in die Poren einzudringen vermag als sein leichterer Bruder Wasserstoff. Mit Unterstützung des theoretischen Physikers Prof. Dr. Thomas Heine von der Jacobs University Bremen kam das Forscherteam dem Grund dieses Phänomens auf die Spur: MFU-4 trennt die Wasserstoff-Isotope durch den Mechanismus des sog. Quantensiebens, bei dem die winzigen Teilchen nicht nach ihrer nicht mehr zu unterscheidenden Größe, sondern nach ihrer Masse sortiert werden. Und hier haben die Deuterium-Moleküle bei einer Abkühlung unter minus 200 Grad die besseren Startbedingungen, um in die MFU-4 Poren einzudringen.

    „Damit haben wir erstmals experimentell gezeigt, dass Quantensieben eine sehr effektive Methode ist, um Gasgemische zu trennen und Deuterium zu gewinnen“, sagt Dr. Michael Hirscher vom Stuttgarter MPI für Intelligente Systeme.

    "Technische Trennprozesse wie das Quantensieben setzen voraus, dass sich poröse Materialien mit Hohlräumen einer gewünschten Größe gezielt herstellen lassen, und genau diese Bedingung erfüllt die MFU-4-Familie", erläutert Volkmer. Darauf aufbauend soll nun untersucht werden, ob sich andere metallorganische Gerüstverbindungen, deren Hohlräume und Öffnungen größer oder kleiner sind, vielleicht sogar besser als Quantensiebe für Deuterium eignen und ob sich darüber hinaus mit dieser neuen Methode u. U. auch das extrem seltene Helium-3 von Helium-4 trennen und anreichern lassen könnte - als von der Wissenschaft begehrtes Kühlmittel und als Brennstoff der Kernfusion, der noch einmal deutlich weniger radioaktives Material produzieren würde, als die Kernfusion mit Deuterium entsteht.
    _______________________

    Originalbeitrag:
    Julia Teufel, Hyunchul Oh, Michael Hirscher, Mohammad Wahiduzzaman, Lyuben Zhechkov, Agnieszka Kuc, Thomas Heine, Dmytro Denysenk und Dirk Volkmer: MFU-4 – A Metal-Organic Framework for Highly Effective H2/D2 Separation, Advanced Materials, Online-Veröffentlichung vom 8. November 2012; DOI: 10.1002/adma.201203383

    Ausführlicher MPG-Beitrag:
    Eine von der Max-Planck-Gesellschaft veröffentlichte ausführlichere Zusammenfassung des Originalbeitrags steht unter http://www.mpg.de/6642650/mof_metallorganisch_deuterium_quantensieben
    zur Verfügung.

    Kontakt:
    Prof. Dr. Dirk Volkmer
    Lehrstuhl für Festkörperchemie
    Universität Augsburg
    86135 Augsburg
    Telefon +49(0)821-598-3006
    dirk.volkmer@physik.uni-augsburg.de
    http://www.physik.uni-augsburg.de/chemie/


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler
    Chemie, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
    überregional
    Forschungsergebnisse
    Deutsch


    Aufbau der metallorganischen Gitterverbindung aus unterschiedlichen Perspektiven. Das orange Gitternetz im Vordergrund zeigt das für Gasmoleküle zugängliche Volumen.


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