14.07.2021 - Technische Universität Dortmund

Neu­ar­ti­ge responsive Ma­te­ri­alien ent­wickelt

Diese kön­nen sich in Ab­hän­gig­keit von ihren Um­ge­bungs­be­din­gun­gen ähnlich wie ein Stück Papier zusammenknüllen und wieder entfalten

Ein For­schungs­team um die Arbeits­gruppe von Prof. Se­bas­ti­an Henke von der Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie der TU Dort­mund hat in Ko­ope­ra­ti­on mit Partnern der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum das außergewöhnliche responsive Verhalten von porösen metallorganischen Gerüstverbindungen un­ter­sucht. Diese kön­nen sich in Ab­hän­gig­keit von ihren Um­ge­bungs­be­din­gun­gen ähnlich wie ein Stück Papier zusammenknüllen und wieder entfalten. Die Erkennt­nisse, die von hoher Relevanz etwa für ih­re An­wen­dung in der Energiespeicherung oder molekularen Separation sind, wurden kürzlich in Nature Com­mu­ni­ca­tions ver­öf­fent­licht.

Metallorganische Gerüstverbindungen (kurz MOFs für Metal-Organic Frameworks) sind synthetische Materialien. Sie setzen sich modular aus organischen und anorganischen Molekülen zu­sam­men und weisen eine poröse, offene Struk­tur auf. Einige MOFs zeigen zudem responsive Ei­gen­schaf­ten, das heißt, sie ändern ih­re Kristallstruktur in Ab­hän­gig­keit von den Um­ge­bungs­be­din­gun­gen. So verändert sich – etwa wenn man die che­mi­sche Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre variiert oder mechanischen Druck ausübt – die Größe und Form der Poren. Durch diese Responsivität sind MOFs unter an­de­rem in der Lage, sehr effizient Gase zu speichern oder Mo­le­kü­le voneinander zu trennen.

Doktorand Roman Pallach aus der Arbeits­gruppe um Prof. Se­bas­ti­an Henke hat nun eine neue Form der Responsivität in MOFs entdeckt: Durch gezielte che­mi­sche Modifikation der organischen MOF-Bausteine schalten die Netzwerke nicht mehr zwischen zwei kristallinen – also geordneten – Zuständen hin und her, sondern zwischen ei­nem geordneten und ei­nem sehr komplexen, ungeordneten Zustand. Die modifizierten Bausteine er­zeu­gen kon­kur­rie­ren­de Wechsel­wir­kungen innerhalb der Netzwerkstrukturen, so dass der ungeordnete Zustand bei Abwesenheit von Gastmolekülen – zum Beispiel von gespeicherten Gasen – in den Poren bevorzugt ist.

„Wenn wir die Gastmoleküle aus den Poren entfernen, ist das Netz­werk gewissermaßen frustriert und kann sich nur ungeordnet zusammenfalten,“ sagt Prof. Se­bas­ti­an Henke. „Ein Zusammenfalten unter Erhalt der Ordnung ist bei diesen MOFs nicht mög­lich.“

Un­ter­su­chung mit Röntgenstreumethoden

In Ko­ope­ra­ti­on mit Dr. Julian Keupp von der Arbeits­gruppe um Prof. Rochus Schmid von der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum und Mitarbeitern der Arbeits­gruppe um Prof. Rasmus Linser vom Bereich Physikalische Chemie der TU Dort­mund haben die Wis­sen­schaft­ler das responsive Verhalten der MOFs theoretisch und ex­pe­ri­men­tell un­ter­sucht und konn­ten dabei tiefe Einblicke in die Struk­tur und temperaturabhängige Dynamik des ungeordneten Zustands erlangen. Neben Computersimulationen und spektroskopischen Techniken setzten sie dazu aufwendige Röntgenstreumethoden an der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA der TU Dort­mund, dem Deut­schen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und der Diamond Light Source (bei Oxford, UK) ein.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • metall-organische G…
  • Metal-Organic Frameworks
Mehr über TU Dortmund
  • News

    Neue Beobachtungen im Bereich der Photochemie molekularer Quantensysteme

    Juniorprofessor Wolfram Helml von der Fakultät Physik der TU Dortmund hat zusammen mit einem internationalen Forschungsteam neue Beobachtungen im Bereich der Photochemie molekularer Quantensysteme gemacht. Mit einer Art Stoppuhr für ultraschnelle Elektronenprozesse in Atomen ist es ihnen ge ... mehr

    Neue stabile organische Verbindungsklasse synthetisiert

    Wissenschaftler der TU Dortmund haben einen wichtigen Fortschritt in der organischen Chemie erzielt: Es ist ihnen gelungen, ein neue hochreaktive, organische Verbindung bei Raumtemperatur zu isolieren und zu charakterisieren. In der organischen Chemie synthetisieren Wissenschaftler neue org ... mehr

    Spins unter Kontrolle

    Möglichst klein und möglichst schnell sollen Materialien sein, die im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie eingesetzt werden. Genau nach solchen Materialien suchen Prof. Mirko Cinchetti von der Fakultät Physik der TU Dortmund und seine Kollegen Dr. Alek Dediu vom Istituto ... mehr