Gezieltes Wachstum poröser kristalliner Materialien
Mikroporöse Kristalle bergen großes Potenzial für funktionale Materialien der Zukunft.
Als „metal-organic frameworks“ bezeichnete poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank ihrer hohen Porosität besitzen solche MOFs eine extrem große Oberfläche. Ein Teelöffel MOFs hat die gleiche Oberfläche wie ein Fußballfeld. Die unzähligen Poren auf kleinstem Raum bieten Platz und können beispielsweise in der Gasspeicherung oder bei der chemischen Stofftrennung als „molekulare Tore“ nützlich sein.
Abb.: Poröse Kristalline, MOFs genannt, auf einer vergleichsweise großen Fläche von einem Quadratzentimeter mit präziser Anordnung und Ausrichtung. (Bild: P. Falcaro et.al. / NPG)
In MOFs schlummert aber ein viel größeres Potenzial, das Paolo Falcaro von der TU Graz wecken will: „MOFs entstehen durch Selbstorganisation. Wir müssen nicht viel mehr tun, als die Komponenten zu mischen, und die Kristalle wachsen von selbst. Die Anordnung und Ausrichtung der Kristalle und damit der Poren geschieht dabei zufällig. Wir können dieses Wachstum nun kontrollieren, und damit MOFs für den multifunktionalen Einsatz in der Mikroelektronik, Optik, Sensorik und Biotechnologie weiter erforschen.“ Gemeinsam mit Kollegen in Japan und Australien entwickelte Falcaro eine Methode, MOFs auf einer vergleichsweise großen Fläche von einem Quadratzentimeter schnell und in kontrollierter Anordnung und Ausrichtung wachsen zu lassen.
Der große Vorteil von präzise angeordneten Kristallen in MOFs sorgt bei Materialforschern für Begeisterung: In die Poren der Kristalle lassen sich funktionale Materialien einschleusen und so anisotrope Eigenschaften generieren. So zeigen Falcaro und seine Kollegen, wie sich die gezielt synthetisierte MOF-Folie in Verbindung mit fluoreszierender Farbe verhält: Rein durch die Drehung der Folie ist das fluoreszierende Signal entweder „ein“ oder „aus“ und es entsteht ein optisch aktiver Schalter. „Das hat viele denkbare Anwendungen“, so Falcaro. „Ein und dasselbe Material kann durch unterschiedliche Anordnung und Ausrichtung der Kristalle unterschiedliche Eigenschaften bekommen. Das gezielte Wachstum von MOFs in dieser Größenordnung erschließt eine Reihe von vielversprechenden Möglichkeiten, die wir jetzt Schritt für Schritt erkunden werden.“
Ein großes Ziel von Falcaro und seinem Team ist die Erschließung von MOFs für biotechnologische Anwendungen: „Wir versuchen, Enzyme, Protein oder auch DNA in den Poren der MOFs einzukapseln und ihre Aktivität gegen Temperaturschwankungen zu immunisieren. Die kristalline Struktur rund um den ‚Gast‘ in der Pore wirkt beschützend wie eine robuste Jacke. Hier wollen wir die Möglichkeiten noch genauer ausloten.“
TU Graz / RK
