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Das Innere von metallorganischen Gerüsten - sogenannten MOFs – ist von einem regelmäßigen System aus winzigen Hohlräumen und Kanälen durchzogen, die wie ein Regalsystem nanoskalige Objekte aufnehmen und diese dann für verschiedene Anwendungen bereitstellen können. Einem Team aus Forschern der Jacobs University, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und weiterer Institutionen, gelang es, metallorganische Käfige mit einer bisher unerreichten Porengröße herzustellen. In dem Wissenschaftsjournal „Scientific Reports“ der Nature Publishing Group stellen die Forscher die als „SURMOF 2“ bezeichnete neue Klasse von MOFs vor.
Metallorganische Gerüste sind hochgeordnete molekulare Systeme, die aus metallischen Knotenpunkten und organischen Streben bestehen. Die Poren in diesen Gerüsten sind frei zugänglich. Vor allem im Hinblick auf die Speicherung von Wasserstoff werden die hochporösen Materialien seit über zehn Jahren intensiv erforscht. Die Gerüststrukturen haben auch Potenzial für anspruchsvollere Anwendungen: So können sie etwa als Wirkstofftransporter Arzneimittel langsam und kontrolliert am Zielort freisetzen, oder als Molekularsieb zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen verwendet werden. Auch erscheinen sie vielversprechend für Anwendungen in der Katalyse, sozusagen als Nanoreaktoren. Dazu müssen Struktur und Größe der Poren kontrolliert und die chemische und mechanische Stabilität der Verbindungen erhöht werden.
Am Institut für Funktionelle Grenzflächen des KITs verwenden Wissenschaftler um Professor Christof Wöll ein eigenes Verfahren zur MOF Herstellung: Sie lassen die MOF-Strukturen epitaktisch, das heißt schichtweise auf der Oberfläche von Substraten wachsen (SURMOFs – Surface Mounted Metal Organic Frameworks). Diese spezielle Methode, die sogenannte Flüssigphasen-Epitaxie gestattet es, auch Gerüststrukturen herzustellen, die sich mit den normalen nasschemischen Methoden nicht erzeugen lassen. Mit diesem Verfahren wurde – zunächst überraschend - ein SURMOF mit überraschend einfacher Struktur und mit einer bisher nicht bekannten Stabilität auch bei sehr großen Poren synthetisiert. Wie die genaue theoretische Analyse der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Heine an der Jacobs University zeigte, sind die Wechselwirkungen zwischen den organischen Streben für die Stabilität großporiger Gerüste verantwortlich. Aufbauend auf dieser Erkenntnis konnte die Porengröße auf Rekordniveau vergrößert werden.
Zur Herstellung der neuartigen SURMOFs-2 synthetisierten die Wissenschaftler verschiedene sehr spezielle organische Moleküle verschiedener Länge. Die Porengröße der neuen metallorganischen Gerüstverbindungen beträgt zurzeit schon bis zu drei mal drei Nanometer. Damit bieten die Poren bereits Platz für kleine Proteine. Die Forscher arbeiten intensiv daran, die Länge der organischen Sterben noch weiter zu vergrößern, um noch größere Proteine und im nächsten Schritt sogar metallische Nanopartikel in die Gerüststrukturen einzubetten, was interessante Anwendungen in der Optik und Photonik ermöglicht.
„Das Anwendungspotenzial metallorganischer Käfige lässt sich heute erst vage erahnen. Die MOF-Gerüste kann man sich als zusammengesetzte Bausteine vorstellen. Die Chemiker haben gelernt, wie man diese Bausteine zu einem Gerüst zusammensetzt. Jetzt gilt es, die Vielfalt der aus der Chemie bekannten Moleküle als Bausteine auszunutzen, um neue Materialien mit neuen Anwendungspotenzialen zu entwickeln, die beispielsweise die Katalyse, Sensorik oder logische Speichermaterialien revolutionieren könnten. Computersimulationen sind ideal, um die Bausteine für Käfige mit optimalen Eigenschaften zu bestimmt und diese danach im Labor zu realisieren“, erläutert Thomas Heine.
Fragen zu den Forschungsergebnissen beantwortet:
Jacobs University
Thomas Heine | Professor of Theoretical Physics
Tel.: +49 (0)421 200 3223 | E-Mail: t.heine@jacobs-university.de
Karlsruher Technologie Institut
Christof Wöll | Institutsleiter
Tel.: +49 (0)721 608 2 3934 | E-Mail: christof.woell@kit.edu
http://www.nature.com/srep/2012/121204/srep00921/full/srep00921.html - detaillierte Ergebnisse
Poren mit viel Platz, Modell eines metallorganischen Gerüstes
Copyright: Jacobs University
None
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German
Poren mit viel Platz, Modell eines metallorganischen Gerüstes
Copyright: Jacobs University
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