Isotopentrennung mit Quantensieben

Mit der Surface Acoustic Waves-Technologie (SAW) ist die Universität Augsburg inter­national als das Epizentrum für „Nanobeben auf dem Chip“ anerkannt. Durch Hoch­frequenzsignale induzierte Schallwellen, die sich an der Oberfläche eines Chips ausbreiten und empfindlich auf jegliche Störung auf ihrem Weg reagieren, sind Kern dieser Technologie. Mit ihr ist es in einer Kooperation zwischen Augsburger Physikern und Chemikern und einem Theorie-Kollegen aus Valencia jetzt gelungen, einen neuartigen Sensor zu entwickeln, der es möglich macht, winzigste Massen und Massenänderungen in Echtzeit nachzu­weisen und zur Isotopen­trennung zu verwenden.

Die Forscher nutzten die Methode, um mikroporöse Nano­kristallite aus MOFs – metall­organischen Gerüst­verbindungen – genau dann zu wiegen, wenn sie spezifisch mit Gasen beladen werden. Die Oberflächenwellen registrieren bei ihrem Durchgang durch diese Nano-Schwämmchen in kürzester Zeit nicht nur jegliche Massen­veränderung der Kristallite, sondern auch deren Selektivität. Auf diese Weise konnten die Augsburger Wissenschaftler jetzt die schwierige Trennung der Isotope eines Gasgemischs aus Wasserstoff und seines natürlichen Isotops Deuterium mit etwa doppelter Masse erfolgreich realisieren und nachweisen.

Die MOF-Schwämmchen saugen sich ab 64 Kelvin bevorzugt mit Deuterium voll. Grund dafür ist ein Quanten­effekt: Die MOF agieren unter diesen extremen Bedingungen nämlich als Quantensieb. Wesentlich für das Quantensieben ist, dass sich das Diffusionsverhalten von Gasen bei sehr tiefen Temperaturen und durch Bewegung in einem regel­mäßigen Gitter auf den Kopf stellt: In vollständigem Widerspruch zu unseren Alltags­erfahrungen beim Sieben verteilen sich die schwereren Teilchen im Quantensieb schneller als die leichteren. Und diese Veränderung des Diffusionsv­erhaltens kann auf einem dazu speziell entworfenen Chip nicht nur sehr schnell, sondern auch mit höchster Präzision erfasst werden.

Dazu werden im Zentrum dieses Chips zwei akustische Wellen per Hochfrequenz­signal durch einen zentralen inter­digitalen Transducer generiert. Die eine der beiden Wellen wird über einen unbedeckten, nicht sensi­bilisierten Teil der Chip­oberfläche gejagt, die andere durch den selektiven MOF-Quantensieb. Beide Wellen breiten sich dabei mit mehreren Kilometern pro Sekunde nach links und rechts zu den beiden Enden des Chips hin aus. Die dünne MOF-Schicht aus, durch die die eine Welle hindurch muss, agiert dabei hoch selektiv als Filter­schwämmchen für Gase. Unterhalb einer bestimmten Temperatur entsteht aufgrund der oben beschriebenen Quanteneffekte die Selektivität dieses Filters für das schwerere Deuterium und ermöglicht dadurch deren effektive Trennung vom leichteren Wasserstoff. Die unter­schiedlichen Geschwin­digkeiten mit denen die quantengesiebte Welle einerseits und die ungefilterte andererseits an den Enden des Chips ankommen, um dort detektiert und miteinander verglichen werden zu können, weisen das Quantensieben in Echtzeit und mit bislang unerreichter Präzision nach.

„Beflügelt von diesen hervorragenden Ergebnissen unserer gemeinsamen Experimente, insbesondere davon, dass uns mit ihnen sogar die extrem schwierige Trennung von Wasserstoff und Deuterium in einem Gasgemisch gelungen ist, sehen wir jetzt eine Vielzahl neuer und industriell sowie gesell­schaftlich relevanter Anwendungen voraus“, sagt Chemiker Dirk Volkmer. „Wir werden unsere neuartigen Sensoren nach ihrer Feuertaufe nun für die Echtzeit-Detektion von Schadstoffen und Umweltgiften weiterentwickeln und optimieren." Der Plan ist, die Sensoren mit einer Vielzahl von unter­schiedlich synthe­tisierten und funk­tionalisierten MOF-Pixeln zu versehen, die mit dem Miniatur­erdbeben auf dem Chip dann selektiv gewogen werden können. „Von solch einer präzisen MOF@SAW-Analyse von Atemluft etwa wird dann auch die medizinische Diagnostik profitieren können“, sagt Volkmer.

U. Augsburg / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Paschke et al.: Dynamic Studies on Kinetic H₂/D₂ Quantum Sieving in a Narrow Pore Metal–Organic Framework Grown on a Sensor Chip, Chemistry Europ.J., online 27 Juni 2019; DOI: 10.1002/chem.201900889
• Institut für Physik, Universität Augsburg