„Smarte“ Materialien 2.0

Einem internationalen Forscherteam ist die Herstellung von hoch geordneten, porösen Kristallen, die mehrdimensionale Strukturen mit extrem großen Oberflächen aufweisen, gelungen. Die Wissenschaftler entwickelten eine spezielle Methode, die sowohl die volle Kontrolle über Ort und Art des Kristallwachstums als auch die Wachstumsgeschwindigkeit ermöglicht.

Damit wird der Weg frei für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Die Forscher aus Australien, Italien und Österreich stellen ihren revolutionären Weg zur Herstellung von porösen metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF) jetzt in „Nature Communications“ vor.

Bei dem Projekt kooperierten Forscher aus verschiedenen australischen Universitäten und Forschungseinrichtungen um Paolo Falcaro und Dario Buso vom Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), der Assoziazione CIVEN, Italien, und dem Institut für Biophysik und Nanosystemforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).

Nanosiebe zur Reinigung von Gasen

Ein Gramm des neuen Materials besitzt eine Oberfläche von mehr als drei Fußballfeldern. Die raumfüllenden Poren können als Schwämme genutzt werden, die Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxyd oder Erdgas speichern können. Ebenso könnten sie den Wissenschaftlern zufolge als Nanosiebe zur Reinigung von Gasen oder Flüssigkeiten als auch in der Medizin als Wirkstoffspeicher und -transporter eingesetzt werden.

Bisher waren, so Falcaro und Buso, viele der potenziellen Anwendungsmöglichkeiten der MOFs durch ihre langwierige Herstellung und die Unmöglichkeit der Wachstumskontrolle eingeschränkt. Die kooperierenden Forschungsteams lösten dieses Problem, indem sie die Methode des so genannten „Seedings“ entwickelten.

3D-Oberflächen mit Röntgenlithographie hergestellt

Die Gruppe um Heinz Amenitsch an der Außenstelle des ÖAW-Instituts für Biophysik und Nanosystemforschung am Elektronenspeicherring ELETTRA (Triest) hat zu dieser Arbeit durch die Herstellung der dreidimensionalen Oberflächen mit Röntgenlithographie beigetragen. „Dadurch wird das Wachstum der MOF’s in geordneten Strukturen an der Oberfläche ermöglicht“, betont Amenitsch.

Benedetta Marmiroli, die Spezialistin für Mikrofabrikation und Mikrofluidik des IBN erklärt: „Als entdeckt wurde, dass die MOF-Kristalle durch die Beigabe von keramischen, sphärischen Mikropartikeln gezielt zum Wachstum gebracht werden können, war es nur ein kleiner Schritt diese Eigenschaft auf mikrogefertigten 3D-Oberflächen zu nutzen, welche mit der Röntgenlithographie bei ELETTRA hergestellt wurden. Das Wachstum konnte durch die Platzierung der „Seeds“ in den Oberflächenkavitäten kontrolliert und gesteuert werden.“

Wachstumsgeschwindigkeit verdreifacht

Um die Flexibilität dieses Ansatzes zu zeigen, konnte die Forscher auch die Eigenschaften der „Seeding“ Teilchen durch Zugabe von aktiven Nanopartikeln – magnetisch, lumineszierend, katalytisch oder photochrom – verändern, ohne die Eigenschaften der MOFs zu beeinflussen. Diese Materialien haben durch ihre Nanostruktur und ihre spezifische Aktivität ein vielversprechendes Potenzial im Bereiche der optischen Sensoren oder Konservierung, Verabreichung und kontrollierte Abgabe von Medikamenten. (Nature Communications, 2011; doi:10.1038/ncomms1234)

(Austrian Academy of Sciences / Institut für Biophysik und Nanosystemforschung Österreichische Akademie der Wissenschaften, 17.03.2011 – DLO)