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Nanochemie: Nur ein bisschen schräg

22.12.2020

Ist die Stapelstruktur des „Wundermaterials“ COF auch nur leicht verschoben, beeinflusst dies seine Eigenschaften erheblich, wie Chemikerinnen und Chemiker der LMU und des Clusters e-conversion jetzt nachgewiesen haben.

Schicht für Schicht aufgetürmt. Abbildung: e-conversion / V. Hiendl

Würde man sogenannte COFs in einer Werbesendung anpreisen, wäre der Slogan in etwa: „Der luftig-leichte Wunderschwamm für alle Fälle“. Denn dieses poröse Material reinigt, trennt und speichert Gase und Flüssigkeiten. Und es hilft zudem als Katalysator chemischen Reaktionen auf die Sprünge. COF steht für Covalent Organic Framework. Die Grundbausteine des Materials sind Sechsecke aus organischen Molekülen, die sich nebeneinander zu einer wabenartigen Schicht anordnen. Aufeinandergestapelt bilden diese Schichten ein ausgedehntes dreidimensionales Netzwerk, das durch die kovalenten Bindungen zwischen den Molekülen auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen sehr stabil ist.

COF-Materialien sind vor allem deshalb so beliebt, weil die Chemikerinnen und Chemiker deren Eigenschaften in der Synthese perfekt einstellen können. Dazu gehören die Porengröße, die Form oder die Verteilung von funktionalen Gruppen. Nur die Stapelung der einzelnen Schichten läuft nicht immer nach Plan: Oft liegen sie nicht exakt, sondern leicht versetzt übereinander. Für die Fachleute ist das ärgerlich, denn schon kleine Abweichungen verändern ungewollt die Struktur der Oberfläche und Kanäle und erschweren den Zugang zu funktionellen Gruppen.

Bettina Lotsch, Chemie-Professorin an der LMU und Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, und Kollegen haben jetzt festgestellt, dass solch eine versetzte Stapelung öfter vorkommt als bisher angenommen. Denn die bisherige Analysemethode aus der Kristallographie ist einfach nicht detailliert genug, um solche Merkmale zu erkennen. Der Doktorand Alexander Pütz erläutert das neue Vorgehen. „Die konventionelle Röntgenbeugungsmethode reduziert das Bild unserer Sechseck-Struktur auf ein symmetrisches Gitter mit einer definierten Größe und Anordnung. Dabei gehen Details wie beispielsweise zur Stapelung verloren. Mit der sogenannten Paarkorrelationsanalyse hingegen können wir lokal geordnete von ungeordneten Materialien unterscheiden und präzise Rückschlüsse auf die Stapelordnung ziehen. Dabei zeigt sich, dass ein auf den ersten Blick sehr geordnetes Material tatsächlich kleine, unregelmäßige Verschiebungen zwischen benachbarten Schichten aufweist.“

Was beeinflusst nun aber die Stapelung? Eine Möglichkeit wäre die Temperatur, bei der die Reaktion abläuft. Daher synthetisierten die Chemikerinnen und Chemiker für ihre aktuelle Publikation COFs bei 120 Grad Celsius und bei Raumtemperatur. Der Einfluss war dank der neuen Analysemethode deutlich zu erkennen: Bei niedriger Synthesetemperatur herrschte größere Unordnung im Schichtsystem. Bettina Lotsch und ihr Team sind bereits dabei, ihre Methode weiterzuentwickeln, damit sie Baufehler genauer untersuchen können, und ein wichtiges Werkzeug zu liefern, um das „Wundermaterial“ noch zu verbessern.

Chemical Science, 2020