Forscher erfinden erste poröse Flüssigkeit

Flüssigkeit mit Speicherpotenzial: Forscher haben erstmals eine Flüssigkeit mit unzähligen Hohlräumen entwickelt. Die Poren bestehen aus kugelförmigen Käfigmolekülen, in die das umgebende Nass nicht eindringen kann. Der große Vorteil: Eine solche Flüssigkeit kann große Mengen Gase stabil speichern – sie nimmt beispielsweise fünfmal mehr Methan auf als das hohlraumlose Lösungsmittel, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Poröse Materialien gibt es in der Natur zuhauf, vom Bimsstein über den Schwamm bis zu exotischen Eisarten. Aber längst werden auch synthetisch hergestellte, maßgeschneiderte Käfigmoleküle genutzt, um beispielsweise Gase einzufangen, Medikamente in Gewebe einzuschleusen oder sogar Strom zu produzieren.

Porös, aber flüssig

„Materialien, die permanente ‚Löcher‘ enthalten, sind technologisch bedeutend“, erklärt Stuart James von der Queen’s University in Belfast. „Bisher aber waren solche porösen Materialien immer Feststoffe.“ Flüssigkeiten mit dauerhaften Hohlräumen gab es dagegen nicht. Doch James und seine Kollegen haben dies nun geändert: Sie entwickelten die erste poröse Flüssigkeit.

Dafür konstruierten die Forscher zunächst ein organisches Käfigmolekül, das löslich ist, aber nicht zusammenklumpt. Die Grundstruktur besteht aus einem rund Molekülkäfig mit vier Fenstern, die eine Öffnungsweite von rund 0,4 Nanometern haben. An diese Hohlstruktur hängten sie lange, schleifenförmige Kohlenwasserstoffketten, um zu verhindern, dass sich die Käfige miteinander verbinden und auskristallisieren. Als Lösungsmittel diente eine spezielle organische Substanz mit Molekülgrößen, die gerade zu groß waren, um in die Käfige eindringen zu können.

Hohle Käfige dicht an dicht

Als Folge entstand eine Flüssigkeit, die dicht an dicht mit Hohlräumen gefüllt war. Denn während normalerweise hunderte oder tausende von Lösungsmittel-Molekülen auf ein darin gelöstes Molekül kommen, waren es in diesem Fall nur zwölf pro Hohlkäfig. „Die Konzentration von unbesetzten Käfigen kann dadurch 500 Mal höher sein als bei anderen Lösungen mit Molekülkäfigen“, wie die Forscher berichten. „Und trotz dieser hohen Konzentration von Käfigen fließt diese Flüssigkeit bei Raumtemperatur.“

Was aber bringt eine solche poröse Flüssigkeit? Einen der möglichen Vorteile haben die Wissenschaftler direkt getestet: Sie untersuchten, wie viel Methangas ihr neues Material aufnehmen kann. Das Ergebnis: Die Flüssigkeit mit den Käfigen speicherte achtmal mehr Methan als das reine Lösungsmittel ohne die Hohlräume darin. „Auch andere Gase wie Stickstoff, Kohlendioxid und Xenon nahm diese poröse Flüssigkeit vermehrt auf“, so die Forscher.

Nutzung als CO2-Speicher?

Nach Ansicht der Forscher könnten diese und ähnliche poröse Flüssigkeiten eine ganze Reihe von vielversprechenden Anwendungen haben. So ließe sich darin beispielsweise Kohlendioxid aus Kraftwerken oder Industrieabgasen im Rahmen der CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) lagern. Bisher werden dafür vor allem unterirdische Hohlräume oder ehemalige Erdgaslager genutzt.

Auch für andere Zwecke könnte die poröse Flüssigkeit dienen: „Für die Speicherung von Gasen können die von uns beschrieben porösen Flüssigkeiten zwar noch nicht mit porösen Feststoffen mithalten“, erklären James und seine Kollegen. „Wir können uns aber andere Anwendungen wie die Gastrennung vorstellen, die von der hohen Konzentration der Hohlkäfige in der Flüssigkeit profitieren.“

Wie die Forscher betonen, handelt es sich zudem um die ersten Experiment mit solchen porösen Flüssigkeiten. Welche Varianten möglich sind und welche Eigenschaften sie besitzen, muss nun in weiteren Versuchen nach und nach untersucht werden. „Es werden wohl noch ein paar Jahre nötig sein, aber die jetzt schon bemerkenswerten Eigenschaften geben wird“, meint James. (Nature, 2015; doi: 10.1038/nature16072)

(Queen’s University Belfast, 12.11.2015 – NPO)