18.05.2022 - Osaka Metropolitan University

Moleküle im Inneren einer nanometergroßen "Sardinenbüchse" sehen!

Clevere neue Methode zur Beobachtung von MOFs und Gastmolekül-Wechselwirkungen mit Hilfe der polarisierten Echtzeit-Infrarotspektroskopie

Die meisten Menschen machen sich keine Gedanken darüber, wie Moleküle in die ultrakleinen Räume zwischen anderen Molekülen passen, aber das ist es, was das Forschungsteam von Professor Masahide Takahashi an der Osaka Metropolitan University jeden Tag tut. Sie untersuchen metallorganische Gerüste (metal-organic framework, MOF), die aus modular angeordneten Metallionen und Molekülen (organischen Bindegliedern) bestehen und ein Gerüst bilden. Die Metallionen fungieren als Eckpunkte, die durch längere organische Bindeglieder verbunden sind. Ein MOF kann aus verschiedenen Metallen und organischen Bindegliedern hergestellt werden, so dass sie für spezifische chemische/physikalische Eigenschaften ausgelegt werden können, die für die Beschichtung von Sensoren in optischen und elektronischen Geräten attraktiv sind. Der Grund dafür ist, dass das MOF-Gerüst viel inneren Raum offen lässt. Diese Poren können zahlreiche "Gastmoleküle" beherbergen, die Zugang zur riesigen inneren Oberfläche der MOFs haben, was sie ideal für die Entwicklung von katalytischen Materialien, Gasspeicherung, Gastrennung und Umweltsanierung macht.

Durch den Einsatz eines Spektrometers zur Messung der MOF- und Gastmolekül-Absorption von zwei unterschiedlich polarisierten Arten von Infrarotlicht ist die Methode des Forscherteams die erste, die sowohl Gast-Gast- als auch Gast-Wirt-Wechselwirkungen misst, und das in Echtzeit. Die Infrarotspektroskopie wird häufig in Labors eingesetzt, und die für die Lichtpolarisierung erforderlichen Zusätze benötigen nur minimale Materialien, einschließlich leicht replizierbarer 3D-gedruckter Komponenten. Dies stellt einen enormen Fortschritt in der MOF-Forschung dar und macht sie im Vergleich zu den bisher verwendeten Methoden der Röntgenbeugung oder der magnetischen Festkörperresonanzspektroskopie wesentlich zugänglicher.

Eine einzigartige Eigenschaft von MOFs ist, dass sie ihre Leitfähigkeit und Photolumineszenz verändern können, indem sie die Anzahl der Gastmoleküle, die in ihren Poren untergebracht sind, erhöhen oder verringern. Wenn sie dicht gepackt sind, können sich die Gastmoleküle ausrichten und so richtungsabhängige Unterschiede bei der Lichtabsorption und dem elektrischen Widerstand erzeugen. Die Forscher nannten dieses Phänomen den "Sardinenbüchsen"-Effekt, weil die Moleküle in Gasen nicht immer rund sind und sich unterschiedlich geformte Gasmoleküle oft wie "Sardinen" verhalten, wenn sie in einer Nanoporen-"Büchse" eingeschlossen sind. Wenn man lange Moleküle hinzufügt, stoßen sie aneinander, bis sie nebeneinander liegen, effizient gepackt sind und in die gleiche Richtung zeigen, genau wie die Sardinen.

Würde man mit einem Licht durch die Seite einer durchsichtigen Sardinenbüchse leuchten, könnte man anhand der Schatten eine gute Vorstellung davon bekommen, in welche Richtung die Sardinen ausgerichtet sind. Die MOF-Filme und Gastmoleküle sind jedoch zu klein, um Schatten zu werfen, daher nutzten die Forscher eine andere Eigenschaft des Lichts: die Polarisation. Die Forscher verwendeten Infrarotlicht in zwei Polarisationen und maßen die Absorption des Gastmoleküls für jede Polarisation separat. Als der Partialdruck des Gases im MOF-Film erhöht wurde, begannen sich die Gastmoleküle auszurichten, wodurch sich die Absorption einer Polarisation erhöhte.

Auf diese Weise konnten die Forscher herausfinden, bei welchem Partialdruck sich die Gastmoleküle ausrichteten und wie sie bei verschiedenen Drücken interagierten. Die molekularen Bindungen zwischen verschiedenen Atomen absorbieren bestimmte Wellenlängen des Infrarotlichts. Indem sie verglichen, welche der polarisierten Wellenlängen absorbiert wurden, konnten die Forscher feststellen, in welche Richtung die Moleküle im MOF-Film ausgerichtet waren. Bei höherem Druck, wenn die MOF-Poren voll waren, entdeckten sie auch Defekte, die aufgrund der Anwesenheit der Gastmoleküle im MOF-Gerüst auftraten. Als die Gastmoleküle entfernt wurden, kehrten sich die Defekte um, was die erste klare Beobachtung von Wechselwirkungen zwischen Gast- und Wirtsmolekülen in der MOF ergab.

Diese Ergebnisse sind erst der Anfang, denn mit dieser Technik lassen sich verschiedene MOF-Filme und Gastmolekül-Wechselwirkungen in Echtzeit untersuchen. Dieses neue Grenzgebiet der Materialwissenschaft hat das Potenzial, viele zukünftige Herausforderungen der Geisteswissenschaften zu lösen. "Diese Ergebnisse klären, wie Moleküle in Nanoporen eindringen und wie sie ausgerichtet werden. Auf der Grundlage dieser Technik können wir die Entwicklung hochleistungsfähiger poröser Materialien erwarten", schloss Dr. Bettina Baumgartner.

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