Um Kohlendioxid-Moleküle aus Gasgemischen abzutrennen, braucht es Materialen mit ?u?erst feinen Poren. Eine M?glichkeit dafür haben nun Forschende der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena in Kooperation mit der Universit?t Leipzig und Universit?t Wien gefunden: Sie wandelten kristalline Metall-Organische Gerüstverbindungen in Glas um. Dabei gelang es ihnen, die Poren des Materials so zu verkleinern, dass sie für bestimmte Gasmoleküle undurchl?ssig werden. Das berichten sie im Fachmagazin ?Nature Materials“.

Komprimierte Metall-Organische Gerüste

?Eigentlich galten diese glasartigen Materialen bislang als unpor?s“, erkl?rt Dr. Alexander Knebel vom Otto-Schott-Institut der Universit?t Jena, der diese Arbeit geleitet hat. Er erl?utert: ?Das Ausgangsmaterial, also die kristallinen Gerüstverbindungen, besitzen sehr klar definierte Poren und auch eine gro?e innere Oberfl?che. Daher werden sie auch als Materialien erforscht, um Gase zu speichern oder zu trennen. Genau diese definierte Struktur geht beim Schmelzen und Komprimieren jedoch verloren. Und das haben wir ausgenutzt.“

?Metallorganische Gerüstverbindungen bestehen aus Metall-Ionen, die durch starre, organische Moleküle miteinander verbunden sind“, beschreibt der Nachwuchsgruppenleiter das Material. ?In den Zwischenr?umen dieser dreidimensionalen, regelm??igen Gitter k?nnen sich Gasmoleküle leicht bewegen. W?hrend der Glas-Prozessierung haben wir das Material komprimiert. Vereinfacht gesagt, konnten wir die Poren auf die gewünschte Gr??e zusammendrücken“, veranschaulicht er.

Geordnete Unordnung

Auch wenn die Gesamtstruktur des Kristalls beim Schmelzen verschwindet – Teile des Kristalls bleiben in ihrer Struktur erhalten. ?Fachlich gesprochen hei?t das: Beim ?bergang vom Kristall zum Glas geht die Fern-Ordnung des Materials verloren, aber die Nah-Ordnung bleibt erhalten“, erl?utert Knebel. Oksana Smirnova, Doktorandin an der Universit?t Jena und die Erstautorin der Arbeit, erg?nzt: ?Wenn wir nun dieses Material schmelzen und komprimieren, ver?ndern sich auch die por?sen Zwischenr?ume.“ So entstehen Kan?le mit Verengungen – oder sogar auch Sackgassen – und in der Folge passen manche Gase schlicht einfach nicht mehr hindurch.

Auf diese Weise erzielte die Gruppe in dem Material Porendurchmesser von 0,27 bis 0,32 Nanometern, und zwar mit einer Genauigkeit von einem hundertstel Nanometer. ?Zur Veranschaulichung: Das ist etwa zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar und hundertmal dünner als eine DNA-Doppelhelix. Mit dieser Porengr??e konnten wir beispielsweise Kohlendioxid von Ethan trennen“, erkl?rt Knebel. ?Unser Durchbruch auf dem Gebiet ist wohl die hohe Qualit?t der Gl?ser und die pr?zisen Einstellbarkeit der Porenkan?le“, ordnet Knebel die Arbeit ein. ?Und unsere Gl?ser sind dazu auch noch mehrere Zentimeter gro?“, fügt er hinzu.

?Ein Ziel dieser Arbeit ist, eine Glas-Membran für Umweltanwendungen zu entwickeln. Denn Kohlendioxid aus Gasen abzutrennen, ist zweifelsfrei eine der gro?en technologischen Herausforderungen unserer Gegenwart“, sagt Knebel. ?Gerade deshalb bin ich auch dankbar über die F?rderung dieser Arbeit durch das Durchbrüche-Programm der Carl-Zeiss-Stiftung – und über den gro?artigen Einsatz meiner Doktorandin Oksana Smirnova, die ma?geblich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen hat.“