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Erkenntnisse zum Gerüstbildungsprozess von Zeolithen unterstützt die Entwicklung neuer synthetischer Stoffe

Durch Vergrößerung des „Zeitfensters der Flexibilität“ von Zeolithen könnte die Materialwissenschaft mehr Spielraum bei Entwurf und Bereitstellung metall-organischer Gerüste (MOFs) und damit mehr Kontrolle über deren katalytische Eigenschaften gewinnen, was den Weg für neue Anwendungsfelder ebnet.
Erkenntnisse zum Gerüstbildungsprozess von Zeolithen unterstützt die Entwicklung neuer synthetischer Stoffe
Gestützt auf Arbeiten des EU-geförderten Projekts GROWMOF (Modelling of MOF self-assembly, crystal growth and thin film formation) konnten Forscher mithilfe von Simulationen auf molekularer Ebene neue Erkenntnisse zur Struktur von Zeolith-Aluminosilikat gewinnen.

Diese Erkenntnisse werden die Entwicklung „hypothetischer“ synthetischer Versionen unterstützen, mit denen für diese hervorragenden Katalysatoren in der Materialwissenschaft ein breites Spektrum an Einsatzfeldern geschaffen und damit eine Marktlücke geschlossen werden soll.

Das „Zeitfenster der Flexibilität“

Zeolith ist ein spezielles Gestein, das Wasser speichern kann und an dem sich 200 unterschiedliche Mineralien anlagern können. Aus Zeolith-Aluminosilikat wurden bereits nützliche Katalysatoren für chemische Anwendungen gewonnen, denen wir eine breite Palette unterschiedlicher Produkte verdanken, die von chemischen Prozessoren bis zu Katzenstreu reichen.

Die Tetraederstruktur ihres Gerüsts sorgt dafür, dass Zeolithe die perfekte Form, Oberfläche und chemische Aktivität aufweisen, um effektive Katalysatoren zu sein, und durch die geringe Zahl möglicher Gerüstvarianten wird ihr industrieller Einsatz stark eingeschränkt. Die Synthetisierung Millionen neuer hypothetischer Zeolith-Aluminosilikate war schon früher ein Forschungsziel – doch bislang waren die Erfolge gering gewesen.

Das Projektteam, das seine Arbeit über die Publikationsplattform der Royal Society veröffentlichte, befasste sich mit dem „Zeitfenster der Flexibilität“, in welchem die Gerüststruktur eines Zeoliths durch Eingriffe auf atomarer Ebene in eingeschränktem Maß manipuliert werden kann, ohne dass dabei dessen Gesamtstruktur zerstört wird. Vorherige Forschungsarbeiten hatten bereits darauf hingedeutet, dass dieses Phänomen bei allen bekannten natürlich vorkommenden Zeolithen mit Ausnahme von Goosecreekit auftritt. In den hypothetischen Strukturen, wie sie bisweilen im Rahmen wissenschaftlicher Projekte erstellt werden, konnte es hingegen kaum beobachtet werden. Dieser Umstand stand der Synthetisierung solcher Strukturen bislang im Wege.

Nun aber zeigten die Forscher mithilfe von Simulationstechniken, dass sich durch eine Manipulation tetraedrischer Zeolithe, durch welche an den Bindungsstellen des Aluminiums mehr Bindungsfreiheit entsteht, auch bei diesen dieses entscheidende Zeitfenster öffnen könnte, was Hoffnung auf die Findung von Zeolith-Silikaten macht, die die aussichtsreichere Kandidaten für industrielle Anwendungen darstellen. Mithilfe der beschriebenen Methode konnten die Forscher ein solches flexibles Zeitfenster sogar bei Goosecreekit feststellen.

Neue Erkenntnisse in der Materialwissenschaft

Die vorgestellte Studie ergänzt die jüngsten Arbeiten, die das Team zum Gestein Faujasit bezüglich des Zeitfensters der Flexibilität sowie der Beschaffenheit der Bestandteile, die nicht Teil des Gerüsts sind, durchgeführt hat. Sie baut zudem auf ihrer Arbeit zur methodologischen Erweiterung von Software zur geometrischen Simulation zu Zwecken der Erforschung metall-organischer Gerüste (engl. metal organic frameworks, MOFs) auf. MOFs sind dreidimensionale Strukturen, an deren Ecken sich Metalle befinden, die durch organische Moleküle miteinander verbunden sind. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Möglichkeiten ihrer Zusammensetzung zu neuen Materialien zählt ihre Erforschung zu den spannendsten Entwicklungen im Bereich nanoporöser Materialien. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher von GROWMOF in ihrer Verwendung zur Gastrennung oder als Trägersubstanzen in Arzneimitteln.

GROWMOF wurde in dem Verständnis ins Leben gerufen, dass eine bessere Vorhersehbarkeit des Syntheseprozesses von MOFs und nähere Kenntnisse der Eigenschaften der erzeugten Materialien sowie der gesamten Entwicklung von der Molekülbildung bis zum Kristallwachstum und der Dünnfilmbildung unerlässlich sind, um das Anwendungspotenzial von MOFs voll auszuschöpfen.

Die letzten im Rahmen des Projekts durchgeführten Studien zeigen deutlich, dass der Einsatz geometrischer Simulationen für Gerüststrukturen über die Modellierung von Siliciumdioxid (SiO2), deren Zweck sie ursprünglich dienten, ausgedehnt werden kann. Die Forscher sind zuversichtlich, dass die Arbeiten das allgemeine Verständnis, wie sich MOFs verschiedener Größenordnungen bilden, grundlegend verändern sowie neue Wege zur Erforschung der gezielten Synthetisierung von MOFs eröffnen werden.

Weitere Informationen finden Sie auf:
CORDIS-Projektwebsite

Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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