Poren mit viel Platz: Ein Fußballfeld in einem Gramm MOF

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

Sogenannte metall-organische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOF) 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 und sie scheinen auch für Anwendungen in der Katalyse, Optik und Sensorik vielversprechend zu sein.

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 am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der TU Graz lehrende Forscher in der jüngsten Ausgabe des Magazins „Nature Materials“ darlegte. Darin zeigen Erstautor Falcaro und seine Kollegen aus Japan und Australien, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

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 kann ein Gramm MOF die Oberfläche eines Fußballfeldes besitzen, teilte die TU Graz mit.

„MOFs entstehen durch Selbstorganisation. Wir müssen nicht viel mehr tun, als die Komponenten zu mischen, und die Kristalle wachsen von selbst“, erläuterte der Professor für „Bio-based Materials Technology“ an der TU Graz. 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 in u.a. der Mikroelektronik, Optik, Sensorik und Biotechnologie weiter erforschen“, schilderte der im italienischen Padua geborene Forscher.

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 „ein“ 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“, hob Falcaro hervor.

Unter anderem will die Grazer Forschergruppe MOFs für biotechnologische Anwendungen erschließen: „Wir versuchen, Enzyme, Protein oder auch DNA in den Poren der MOFs einzukapseln und ihre Aktivität gegen Temperaturschwankungen zu immunisieren“, schilderte der Forscher.

(S E R V I C E - „Centimetre-scale micropore alignment in oriented polycrystalline metal-organic framework films via heteroepitaxial growth“. Nature Materials. DOI 10.1038/nmat4815, http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4815.html)