Spektakuläre Vielfalt nanoporöser Kristalle

  • 05. January 2016

Stark unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten bei scheinbar identischen Kristallen.

Bislang unbekannte Mechanismen des Molekül­transportes in nano­porösen Materialien haben Wissen­schaftler der FU Brüssel und der Uni Leipzig entdeckt. Sie zeigten, dass sich jeder einzelne nano­poröse Kristall sehr unter­schiedlich verhalten kann und wider­legten damit eine über Jahr­zehnte unwider­sprochene Annahme. Bisher waren die Forscher von der falschen Annahme annähernder Gleich­heit im Verhalten der einzelnen Kristalle ausgegangen.

Nanoporöse Materialien, wie zum Beispiel Zeolithe oder metall-organische Gerüst­ver­bindungen, enthalten Poren mit Durch­messern von weniger als einem Millionstel Milli­meter, in denen Moleküle gespeichert oder in andere Moleküle umge­wandelt werden können. Sie finden viel­fältige Anwendungen, etwa als umwelt­freundliche Kataly­sa­toren zur Beschleunigung der chemischen Umwandlung von Molekülen in technisch wertvolle End­produkte und als molekulare Schwämme zur Reinigung von Gasen und Flüssig­keiten, zur Aufnahme von Kohlen­di­oxid oder für medizi­nische Anwendungen.

Die Entwicklung und weitere Verbesserung solcher Anwendungen hängt ent­scheidend vom Verständnis der Mechanismen des Molekül­transportes in den Nano­poren ab. So wird zum Beispiel die Geschwin­dig­keit chemischer Umwandlungen in den Nano­poren ganz wesentlich von der Transport­geschwin­digkeit bestimmt. Da nano­poröse Kristalle aus identischen Bau­steinen zusammen­gesetzt sind, haben die Forscher bisher ange­nommen, dass die Mecha­nismen und die Geschwin­digkeit des Molekül­transports für die verschie­denen Kristalle ein und derselben Familie identisch sind.
In ihren Untersuchungen zur Gewinnung von Bio-Alkoholen als Alter­native für Erdöl-Folge­produkte arbeitete das Forscher­team um Joeri Denayer und Julien Cousin-Saint-Remi von der FU Brüssel mit einer Gruppe der Uni Leipzig um Jörg Kärger und Jürgen Haase zusammen. Sie wollten grund­legende Einsicht in die Transport­mechanismen von Alkohol-Molekülen in nano­porösen Fest­körpern gewinnen. Durch den Einsatz hoch­ent­wickelter Techniken der Mikro-Bild­gebung, wie sie von den Leipziger Physikern entwickelt wurden, konnte auf diesem Wege nachge­wiesen werden, dass sich bei scheinbar identischen Kristallen die Transport­geschwin­digkeiten um Größen­ordnungen unter­scheiden können.

Diese Beobachtung lässt nicht nur die gegen­sätzlichen, einander oft wider­sprechenden Ergebnisse, von denen in der Vergangen­heit berichtet wurde, in einem völlig anderen Licht erscheinen. Sie ist auch für die Entwicklung effizi­enterer chemischer Prozesse von großer Bedeutung. „Die klassischen Methoden zur Unter­suchung des Molekül­transports gestatten es lediglich, das Transport­verhalten gemittelt über viele Kristalle zu betrachten. Das kann aber zu völlig falschen Schluss­folgerungen in Hinblick auf die tat­sächlich vorherr­schenden Transport­mechanismen und die ihnen zugrunde liegenden Material­eigen­schaften führen“, erklärt Kärger. Die Ergebnisse dieser Zusammen­arbeit helfen so anderen Forschern, die Diffusions­mechanismen in nano­porösen Materialien besser zu verstehen. Die detail­getreue Erforschung einzelner Kristalle ist somit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung neuer und besserer Materialien.

AML / RK

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