Grazer Forscher lassen poröse Materialien wachsen

8. Dezember 2016, 09:00
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Mikroporöse Kristalle (MOFs) erscheinen für viele Anwendungen vielversprechend

Graz – Ob Wasserstoff für Brennstoffzellen oder die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen der Pharmazie – in sogenannten metall-organischen Gerüsten (MOFS) würde sich auf molekularer Ebene allerhand unterbringen lassen. Durch ihre enorme Porösität haben MOFs (metal-organic frameworks) ungeheuer große "innere Oberflächen" und Potenziale, sagt Paolo Falcaro, der an der TU Graz zu den neuartigen porösen Materialien forscht.

Metall-organische Gerüste bieten laut Falcaro eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten: Die hochporösen Materialien können Gas ähnlich aufnehmen, wie ein Schwamm Flüssigkeit aufsaugt. Sie werden daher im Hinblick auf die Speicherung von Wasserstoff in Pkw-Tanks intensiv erforscht. Außerdem könnten sie als molekulares Sieb zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen dienen, in ihren Poren könnten medizinische Wirkstoffe eingelagert und gezielt abgegeben werden. Zudem scheinen sie auch für Anwendungen in der Katalyse, Optik und Sensorik vielversprechend.

Ein wichtiger Schritt, um das Potenzial von MOFs auch technologisch umzusetzen, sei jedoch noch immer die Herstellung des Materials als kontinuierlicher Film in zumindest Zentimetermaßstab, wie der Falcaro kürzlich in "Nature Materials" darlegte. In der Studie zeigte er mit Kollegen aus Japan und Australien, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

Enorme Oberflächen

Die metall-organischen Gerüstverbindungen sind hochgeordnete molekulare Systeme: In der dreidimensionalen Kristallstruktur dienen Metalloxide als Knotenpunkte, die mit organischen Molekülen wie Kohlenwasserstoffen verbunden sind. Dadurch entsteht ein von Hohlräumen und Kanälen durchzogenes Material. Dieses poröse Gerüst hat eine enorme innere Oberfläche, an der sich beispielsweise Gasmoleküle effektiv anlagern lassen. So könne ein Gramm MOF die Oberfläche eines Fußballfeldes besitzen, heißt es in einer Aussendung der TU Graz.

"MOFs entstehen durch Selbstorganisation. Wir müssen nicht viel mehr tun, als die Komponenten zu mischen, und die Kristalle wachsen von selbst", so Falcaro. Die Forscher haben MOFs im Labor schichtweise auf der Oberfläche von Substraten wachsen lassen. In der aktuellen Publikation zeigen Falcaro und seine Kollegen eine Methode, MOFs auf einer vergleichsweise großen Fläche von einem Quadratzentimeter schnell und in kontrollierter Anordnung und Ausrichtung zu erzeugen. "Wir können dieses Wachstum nun kontrollieren, und damit MOFs für die Anwendung etwa in der Mikroelektronik, Optik, Sensorik und Biotechnologie weiter erforschen", so der Forscher.

Veränderbare Eigenschaften

Im Detail zeigte das internationale Team, wie sich die gezielt synthetisierte MOF-Folie in Verbindung mit fluoreszierender Farbe verhält: Alleine durch die Drehung der Folie sei das fluoreszierende Signal entweder "an" oder "aus" und es entsteht ein optisch aktiver Schalter. Diese Erkenntnis trage mehrere Anwendungsmöglichkeiten in sich: "Ein und dasselbe Material kann durch unterschiedliche Anordnung und Ausrichtung der Kristalle unterschiedliche Eigenschaften bekommen", so Falcaro.

Nun will die Grazer Forschergruppe MOFs für biotechnologische Anwendungen erschließen: Falcaro: "Wir versuchen, Enzyme, Protein oder auch DNA in den Poren der MOFs einzukapseln und ihre Aktivität gegen Temperaturschwankungen zu immunisieren." (APA, 7. 12. 2016)

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