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Weltweit erste löchrige Flüssigkeit entwickelt

16.11.2015

Ein internationales Forschungsteam hat die weltweit erste permanent poröse Flüssigkeit entwickelt. Dazu verbanden sie leere starre Molekülkäfige an den Ecken mit Molekülen, die einerseits als Flüssigkeit wirkten, andererseits aber nicht in die Käfige eindrangen. Das neue Material kombiniert die Vorteile einer Flüssigkeit mit denen eines festen Adsorbtionsmittels und könnte als flüssiger Filter in der Industrie Anwendung finden.

Die Forschungsergebnisse, über die die Fachzeitschrift Nature aktuell berichtet, entstanden unter Federführung von Forschenden der Queens University Belfast in Nordirland. Beteiligt waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), der argentinischen Universidad Nacional de Cuyo, der Universität Liverpool und der französischen Université Blaise Pascal.


Tönjes Koschine und Klaus Rätzke (v.l.) diskutieren die neuen Forschungsergebnisse.

Foto/Copyright: Reinhard Krause-Rehberg, Halle

Eigentlich haben Flüssigkeiten keine stabilen größeren Löcher beziehungsweise Poren. Da deren Moleküle alle beweglich sind, zerfallen Poren sofort wieder. Poröse Festkörper andererseits wie Zeolithe und Metall-organische Gerüste (metal organic frameworks, MOF) werden schon länger in chemischen Prozessen, etwa der Katalyse und Gastrennung, in der Industrie eingesetzt.

Diese starren Strukturen haben dauerhaft bestehende Poren gleicher Größe. Darin lassen sich Abfallprodukte wie Methan speichern. Probleme tauchen aber immer wieder auf, wenn sie in bestehende chemische Anlagen eingefügt werden sollen. Poröse Flüssigkeiten, die als Filter funktionieren, würden solche Hürden überwinden: sie könnten zum Beispiel einfach durch Leitungen gepumpt werden.

Sehr nah dran an dieser Anwendung sind nun die Forschenden mit ihrer neuen Materialklasse. Sie besteht aus Molekülkäfigen, die in einer Flüssigkeit aus Kronenether gelöst werden. Um die Käfige löslich zu machen, bauten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jeweils sechs Kronenether-Molekülgruppen an die Ecken der Käfige. Trotz einer hohen Konzentration an Käfigen erreichten sie auf diese Weise eine bei Raumtemperatur flüssige Substanz.

Herauszufinden, ob die Käfige in der Flüssigkeit auch wirklich leer waren, war Aufgabe der Experten von der Kieler Universität um den Professor für Materialverbunde Franz Faupel.

Mit der sogenannten Positronenlebenszeitspektroskopie – einer Methode, die nur eine Handvoll Forschungsgruppen weltweit beherrschen – wiesen sie auch die Größe der Löcher experimentell nach. Dazu schoss Doktorand Tönjes Koschine mit Positronen, also Antimaterie, auf eine Probe der porösen Flüssigkeit. Positronen zerfallen sofort, wenn sie auf Elektronen treffen.

„Wenn in der Flüssigkeit Löcher sind, gibt es an dieser Stelle auch keine Elektronen, die Positronen ‚leben‘ dort also länger, und das haben wir gemessen“, erklärt Koschine. Die Länge der Lebenszeit erlaube den Kieler Forschern auch Rückschlüsse auf die Größe der Poren.

„Positronen leben in den Löchern etwa 10 Mal länger als wenn sie direkt auf Elektronen treffen, insgesamt also zwei Nanosekunden“, sagt Doktorvater Professor Klaus Rätzke. Eine Nanosekunde entspricht einer milliardstel Sekunde. Damit sind die Hohlräume in den Käfigen circa einen halben Nanometer groß, so groß wie zwei bis drei Atome.

Die Kieler Wissenschaftler haben auf diese Weise die Ergebnisse der Simulationen innerhalb dieser internationalen Forschungskooperation bestätigt und einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Charakterisierung von neuen Materialien geleistet.

Originalpublikation
Liquids with permanent porosity. Nicola Giri, Mario G. Del Pópolo, Gavin Melaugh, Rebecca L. Greenaway, Klaus Rätzke, Tönjes Koschine, Laure Pison, Margarida F. Costa Gomes, Andrew I. Cooper & Stuart L. James. Nature 527, 216–220 (12 November 2015) doi:10.1038/nature16072
Link: http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7577/full/nature16072.html


Kontakt:
Professor Dr. Klaus Rätzke
Institut für Materialwissenschaft
Tel.: 0431/880 6227
E-Mail: kr@tf.uni-kiel.de

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“ (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaft, Chemie, Physik, Biologie, Elektrotechnik, Informatik, Lebensmitteltechnologie und verschiedenen medizinischen Fächern zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen.

Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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