Physiker können Eigenschaften mesoporöser Materialien präziser bestimmen

Prof. Dr. Rustem Valiullin mit einem Kernspinresonanz-Spektrometer.
Foto: Swen Reichhold

„Wir vermählen die Unordnung mit der Ordnung“

Die dürfte wirklich schon jeder einmal in der Hand gehabt haben: Beutelchen mit kleinen Kugeln, die in der Verpackung von neuen Schuhen oder Elektroartikeln liegen. Die Kugeln sind dazu da, um Feuchtigkeit aufzunehmen und so die Artikel vor Beschädigung zu schützen. „Diese Materialien sind mit einem Schwamm vergleichbar“, erläutert der Physiker Prof. Dr. Rustem Valiullin von der Universität Leipzig.

Er und seine Arbeitsgruppe haben einen Weg gefunden, die Eigenschaften dieser Materialien präziser zu bestimmen, weil sie die zugrundeliegende Unordnung besser berücksichtigen können. Ihre Erkenntnisse wurden von den Herausgebern der Journale der „American Chemical Society“ als „ACS Editors‘ Choice“ ausgewählt, weil diese die „Bedeutung für die globale wissenschaftliche Gemeinschaft“ des Artikels der Leipziger Forscher anerkennen und darin einen Durchbruch bei der genauen Beschreibung von Phasenübergangsphänomenen in ungeordneten porösen Materialien sehen.

Bei den mesoporösen Materialien sind die Öffnungen ungleich kleiner als bei einem normalen Schwamm: Ihre Durchmesser bewegen sich im Nanobereich von 2 bis 50 Nanometer und sind mit dem menschlichen Auge nicht wahrnehmbar. Dennoch sind sie durch ihre Eigenschaften zum Beispiel für die Trennung von Stoffen von Interesse, diese erfolgt dabei beispielsweise in Abhängigkeit von der Molekül- und Porengröße.

Bislang konnte man die gewünschten Eigenschaften dieser Materialien nur näherungsweise über Experimente herausfinden. „Es beruht also eher auf Erfahrungen, ob man bestimmen kann, welche der Strukturen für welche Anwendungen verwendet werden kann“, so der Physiker. Denn das Problem besteht darin, dass diese Materialien meist ungeordnet sind, das heißt dass Poren verschiedener Größen im Material eine komplexe Netzwerkstruktur bilden.

Die Forscher der Universität Leipzig haben ein Modell entwickelt, das die Merkmale erfasst, die in den komplexen Porennetzwerken zu beobachten sind. „Wir können statistisch beschreiben, wie die einzelne Poren in diesen Netzwerken untereinander gekoppelt sind“, umreißt Prof. Valiullin den Ansatz. „Wir vermählen die Unordnung mit der Ordnung.“ Dadurch ist es möglich, die physikalischen Phänomene zu erfassen, die etwa bei Gas-Flüssigkeits- und Fest-Flüssigkeits-Phasenübergängen verstanden werden müssen. Und das nicht nur in der Theorie: Unter Verwendung spezieller mesoporöser Modellsysteme konnte mit Hilfe moderner Methoden der kernmagnetischen Resonanz belegt werden, dass die theoretischen Ergebnisse auch unmittelbar in die Praxis umgesetzt werden können.

Dies dürfte in Zukunft den Einsatz solcher Materialien vereinfachen, die zum Beispiel dabei helfen, Medikamente über einen definierten, durchaus auch längeren Zeitraum erst dann im menschlichen Körper freizusetzen, wenn das notwendig und erwünscht ist. Weitere Einsatzfelder derartiger Materialien liegen unter anderem in den Bereichen Sensorik sowie Energiespeicherung und -wandlung.

Originaltitel der Veröffentlichung im Journal “Langmuir“ der „American Chemical Society“:

„Impact of Geometrical Disorder on Phase Equilibria of Fluids and Solids Confined in Mesoporous Materials“, doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c03047

Jörg Aberger

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rustem Valiullin
Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik, Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Telefon: +49 341 97 32515
E-Mail: valiullin@uni-leipzig.de

Weitere Informationen:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.langmuir.0c03047#
Editors‘ Choice: https://pubs.acs.org/editorschoice

http://www.uni-leipzig.de

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