Wasserstoff gilt als der Treibstoff der Zukunft. Doch um ihn zu transportieren und zu lagern sind leichte, extrem stabile Materialien gefragt. Jetzt haben Wissenschaftler aus den Bausteinen normalen Kunststoffs neue, besonders leichte und feste Polymere konstruiert, die sich besonderes für Wasserstofftanks eignen könnten. Ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science.
Der Trick, um die neuen Materialien, so genannte kovalente organische Verbindungen (COF) herzustellen, bestand darin, ihre Bausteine dazu zu bringen, sich zu vorbestimmten, berechenbaren Kristallgitter zusammenzulagern. Adrien Côté, Wissenschaftler an der Universität von Michigan erklärt: „Normale feste Kunststoffe werden durch schnelle Reaktionen synthetisiert, die die zufällig angeordneten Bindungen der Polymere bilden. Wie in vielem, das richtig schnell geht, kann das in Desorganisation ausarten.“
Entdeckung der Langsamkeit
Aus genau diesem Grund sind die genauen inneren Strukturen solcher Materialien bisher oft nur in Teilen untersucht und verstanden. Ihre Eigenschaften zu bestimmen oder vorherzusagen ist daher schwierig. Côté und seine Kollegen veränderten jetzt die Reaktionsbedingungen dahingehend, dass der gesamte Polymerisationsprozess verlangsamt ablief. Die Bausteine konnten so in organisierter Form kristallisieren anstatt Hals über Kopf Zufallsbindungen einzugehen.
Nach jedem neuen Versuch analysierten die Wissenschaftler die resultierenden Polymere mithilfe der Röntgenkristallographie und bestimmten ihre Bindungsstruktur und Eigenschaften. Sie nutzen diese Informationen, um die Reaktionsbedingungen so lange immer wieder zu verändern, bis die Polymere die gewünschte Struktur aufwiesen.
Leichte Elemente in stabilem Gitter
Für seine Versuche tat sich Côté mit dem Chemiker Omar Yaghi zusammen, der bereits seit 15 Jahren an einer verwandten Materialgruppe arbeitet, den metallorganischen Verbindungen (MOF). Auf molekularer Ebene bestehen diese aus einem Gerüst aus Metallknoten mit Streben aus organischen Materialien. Je nach Metall und organischer Komponenten lassen sich dabei die Winkel der Streben gezielt verändern und damit auch die Eigenschaften des Materials beeinflussen
Im Gegensatz zu diesen „MOFs“ enthalten die neuen kovalenten organischen Verbindungen keine Metalle, sondern bestehen ausschließlich aus sehr leichten Elementen wie Wasserstoff, Boron, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die starke kovalente Bindungen untereinander ausbilden.
„Leichte Elemente zu nutzen erlaubt es uns, besonders leichte Materialien herzustellen“, erklärt Côté. „Das ist besonders wichtig für die Lagerung von Wasserstoff, denn je leichter das Material, desto ökonomischer ist es in einem Fahrzeug zu transportieren. Die starken kovalenten Bindungen machen die COFs außerdem zu einem sehr robusten Material.“
Obwohl die Hauptziele der aktuellen Forschungsarbeiten die Erschaffung neuer Materialien für die Gasspeicherung von Brennstoffzellen ist, erkunden Côté, Yaghi und ihre Kollegen auch Varianten der COFs, die sich für elektronische Bauteile oder Katalysatoren eignen. „Dies ist unserer Ansicht nach nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer sehr großen und nützlichen Klasse von Materialien”, resümmiert Côté.
(University of Michigan, 18.11.2005 – NPO)
