19.03.2021 - Universität Leipzig

Eigenschaften mesoporöser Materialien präziser bestimmen

„Wir vermählen die Unordnung mit der Ordnung“

Die dürfte wirklich schon jeder einmal in der Hand gehabt haben: Beutelchen mit kleinen Kugeln, die in der Verpackung von neuen Schuhen oder Elektroartikeln liegen. Die Kugeln sind dazu da, um Feuchtigkeit aufzunehmen und so die Artikel vor Beschädigung zu schützen. „Diese Materialien sind mit einem Schwamm vergleichbar“, erläutert der Physiker Prof. Dr. Rustem Valiullin von der Universität Leipzig.

Er und seine Arbeitsgruppe haben einen Weg gefunden, die Eigenschaften dieser Materialien präziser zu bestimmen, weil sie die zugrundeliegende Unordnung besser berücksichtigen können. Ihre Erkenntnisse wurden von den Herausgebern der Journale der „American Chemical Society“ als „ACS Editors' Choice“ ausgewählt, weil diese die „Bedeutung für die globale wissenschaftliche Gemeinschaft“ des Artikels der Leipziger Forscher anerkennen und darin einen Durchbruch bei der genauen Beschreibung von Phasenübergangsphänomenen in ungeordneten porösen Materialien sehen.

Bei den mesoporösen Materialien sind die Öffnungen ungleich kleiner als bei einem normalen Schwamm: Ihre Durchmesser bewegen sich im Nanobereich von 2 bis 50 Nanometer und sind mit dem menschlichen Auge nicht wahrnehmbar. Dennoch sind sie durch ihre Eigenschaften zum Beispiel für die Trennung von Stoffen von Interesse, diese erfolgt dabei beispielsweise in Abhängigkeit von der Molekül- und Porengröße.

Bislang konnte man die gewünschten Eigenschaften dieser Materialien nur näherungsweise über Experimente herausfinden. „Es beruht also eher auf Erfahrungen, ob man bestimmen kann, welche der Strukturen für welche Anwendungen verwendet werden kann“, so der Physiker. Denn das Problem besteht darin, dass diese Materialien meist ungeordnet sind, das heißt dass Poren verschiedener Größen im Material eine komplexe Netzwerkstruktur bilden.

Die Forscher der Universität Leipzig haben ein Modell entwickelt, das die Merkmale erfasst, die in den komplexen Porennetzwerken zu beobachten sind. „Wir können statistisch beschreiben, wie die einzelne Poren in diesen Netzwerken untereinander gekoppelt sind“, umreißt Prof. Valiullin den Ansatz. „Wir vermählen die Unordnung mit der Ordnung.“ Dadurch ist es möglich, die physikalischen Phänomene zu erfassen, die etwa bei Gas-Flüssigkeits- und Fest-Flüssigkeits-Phasenübergängen verstanden werden müssen. Und das nicht nur in der Theorie: Unter Verwendung spezieller mesoporöser Modellsysteme konnte mit Hilfe moderner Methoden der kernmagnetischen Resonanz belegt werden, dass die theoretischen Ergebnisse auch unmittelbar in die Praxis umgesetzt werden können.

Dies dürfte in Zukunft den Einsatz solcher Materialien vereinfachen, die zum Beispiel dabei helfen, Medikamente über einen definierten, durchaus auch längeren Zeitraum erst dann im menschlichen Körper freizusetzen, wenn das notwendig und erwünscht ist. Weitere Einsatzfelder derartiger Materialien liegen unter anderem in den Bereichen Sensorik sowie Energiespeicherung und -wandlung.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • poröse Materialien
  • Phasenübergänge
  • mesoporöse Materialien
Mehr über Uni Leipzig
  • News

    Neu entdecktes Enzym zersetzt PET-Kunststoff in Rekordzeit

    Plastikflaschen, Obstschalen, Folien: Diese leichten Verpackungen aus PET-Kunststoff werden zum Problem, wenn sie nicht recycelt werden. Wissenschaftler:innen von der Universität Leipzig haben nun ein hocheffizientes Enzym entdeckt, das PET in Rekordzeit abbaut. Mit dem Enzym PHL7, das die ... mehr

    Stabil, effizient, umweltschonend: Forschende entwickeln vielversprechenden Wärmespeicher

    Ein neues Material zur Wärmespeicherung könnte dabei helfen, Häuser energetisch deutlich zu verbessern. Entwickelt wurde es von Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Universität Leipzig. Mit ihm lässt sich überschüssige Wärme speichern und bei Bedarf wiede ... mehr

    Für das Labor auf dem Chip: Neues Thermofluidik-Verfahren entwickelt

    Forschern der Universität Leipzig ist es gelungen, winzige Flüssigkeitsmengen nach Belieben zu bewegen, indem sie Wasser über einem Metallfilm mit einem Laser ferngesteuert erhitzen. Die derart erzeugten Strömungen können genutzt werden, um winzige Objekte zu manipulieren und sogar einzufan ... mehr

  • Videos

    "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt

    Der Grotthuß-Mechanismus, benannt nach dem Leipziger Naturwissenschaftler Freiherr Theodor von Grotthuß (1785-1822), erklärt qualitativ den Transport von elektrischen Ladungen in wässrigen Lösungen. Dieser spielt in alltäglichen biochemischen Prozessen, zum Beispiel der Signalübertragung in ... mehr

  • q&more Artikel

    Zellkultur in der dritten Dimension

    Aussagen zur toxikologischen Wirkung von Chemikalien und pharmazeutischen Erzeugnissen müssen vor Markteinführung erfasst werden. Dabei spielten bis heute Tierversuche eine wichtige Rolle, diese gilt es jedoch zu vermeiden und die Tests stattdessen in organoiden Zellkultursystemen mit hoher ... mehr

  • Autoren

    Dr. Peggy Stock

    Peggy Stock, Jahrgang 1976, studierte an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Biologie und promovierte im Jahr 2005. Seit ihrer Rückkehr von einem Forschungsaufenthalt an der University of Pittsburgh (USA) arbeitet sie in der Arbeitsgruppe Angewandte Molekulare Hepatologie um Prof ... mehr

    Dr. Katja Schellenberg

    Jg. 1984, absolvierte ihren Bachelor of Science in Molekularer Biotechnologie an der Technischen Univer­sität Dresden, bevor sie 2009 im internationalen Studiengang „Molecular Medicine“ der Charité Berlin mit dem Master of Science graduierte. Gefördert durch ein Charité-Stipendium erfolgte ... mehr