2D-Sieb für Moleküle

Forschenden aus Bielefeld, Bochum und Yale ist es gelungen, eine Schicht aus zwei­dimensionalem Silizium­dioxid herzustellen. Diese enthält natürliche Poren und kann daher wie ein Sieb für Moleküle und Ionen genutzt werden. Die Wissenschaft sucht schon seit Längerem nach solchen Materialien, denn sie könnten etwa beim Entsalzen von Meerwasser helfen oder in neuartigen Brennstoff­zellen zum Einsatz kommen. Für die Arbeiten kooperierten die Teams um Petr Dementyev von der Universität Bielefeld, Anjana Devi von der Ruhr-Universität Bochum und Eric Altman von der Yale University.

Wenn zwei­dimensionale Materialien mit hoher Präzision durchstochen werden, kann man sie nutzen, um bestimmte Ionen oder Moleküle auszusieben. Forschende haben immer wieder versucht, das aus Kohlenstoff­atomen bestehende Material Graphen für diesen Zweck zu verwenden. Da es keine natürlichen Poren besitzt, müssen diese künstlich eingefügt werden. Aber es ist schwierig, Löcher mit definierter Größe in Graphen zu erzeugen, ohne das Material nachhaltig zu schädigen, da es leicht bricht. Denn es verliert durch die Perforation zu sehr an Stabilität. Folglich galt es eine Alternative zu finden. Nun machte sich das Forschungs­team die Tatsache zunutze, dass das Kristall­gitter von zweidimen­sionalem Silizium­dioxid natürlicher­weise Öffnungen besitzt. Sie zeigten, dass sich mithilfe dieser Öffnungen bestimmte Gase voneinander trennen lassen.

„Silizium­dioxid hat natürlicher­weise eine sehr hohe Dichte an winzigen Poren, die man in künstlichen Membranen nicht erzeugen könnte“, sagt Petr Dementyev von der Bielefelder Arbeits­gruppe Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen. „Im Unterschied zu Graphen sind die Poren alle nahezu gleich groß. Und es sind so unglaublich viele, dass sich das Material wie ein feinmaschiges Sieb für Moleküle verhält.“ 2D-Silizium­dioxid ist bereits seit 2010 bekannt. Seine Herstellung war allerdings sehr teuer und nur in kleinem Maßstab möglich.

Die Forschenden brachten Expertise aus der Material­chemie, dem Chemischen Engi­neering und der Chemischen Physik zusammen, um einen neuen Herstellungs­prozess zu erarbeiten. Sie nutzten die Ablagerung einzelner Atomlagen (ALD), um eine einzige Schicht Silizium­dioxid auf einer Gold­oberfläche abzuscheiden. Durch ein Hochdruck­verfahren überführten die Forschenden die Lage in ihre zweidimensionale Form und charak­terisierten sie dann spektro­skopisch und mikroskopisch im Detail. Anschließend untersuchten sie den Gasfluss durch die 2D-Membran in einer Vakuumkammer.

Während verdampftes Wasser und verdampfter Alkohol die Silizium­dioxid-Schicht durchdringen konnten, wurden die Gase Stickstoff und Sauerstoff zurückgehalten. „Materialien wie dieses mit selektiver Durch­lässigkeit sind in der Industrie sehr gefragt“, sagt Anjana Devi. Bevor das 2D-Silizium­dioxid in der Praxis zum Einsatz kommen kann, gilt es jedoch, genau zu evaluieren, wie sich viele verschiedene Moleküle an die Material­oberfläche anlagern oder wie sie diese durchdringen können. „Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse für die Material­wissenschaft weltweit von Bedeutung sind“, sagt Anjana Devi. „Solche 2D-Membranen könnten an vorderster Front bei einer nach­haltigen Entwicklung helfen, zum Beispiel im Bereich der Energie­konversion oder -speicherung.“

RUB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Naberezhnyi et al.: Molecular Permeation in Freestanding Bilayer Silica, Nano Lett. 22, 1287 (2022); DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04535
• AG Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld
• AG Chemie Anorganischer Materialien, Ruhr-Universität Bochum