Vahid Nozari von der Universität Jena untersucht am Mikroskop das synthetische Glas, das aus einem MOF-Material besteht

Das Unschmelzbare schmelzbar machen

Publiziert

Chemiker entwickeln Methode zur Herstellung von Gläsern aus nicht-schmelzbaren Verbindungen

Chemiker der Universität Jena entwickeln einen Weg, eigentlich nicht schmelzbare metallorganische Gerüstverbindungen – sogenannte MOFs – zu schmelzen. Dies erlaubt die schmelzebasierte Herstellung von Glasbauteilen für Anwendungen in der Energie- und Umwelttechnik.

Gläser sind aus dem täglichen Leben nicht wegzudenken. Einer der wichtigsten Gründe dafür ist, dass Glasgegenstände über den Weg der Schmelze nahezu universell und kostengünstig in den vielfältigsten Formen und Größen hergestellt werden können. Die Verarbeitung in der (zäh-)flüssigen Phase bietet eine Vielfalt, die mit anderen Werkstoffen kaum erreichbar ist. Dies setzt aber voraus, dass das Material, aus dem das Glas in seiner chemischen Zusammensetzung besteht, überhaupt schmelzbar ist.

Besonders großes Interesse haben in den vergangenen Jahren sogenannte metallorganische Gerüstverbindungen erlangt – kurz: MOFs (von engl. Metal Organic Frameworks). Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften wird ihnen ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Energie- und Umwelttechnik zugeschrieben, aber auch in der Sensorik sowie in den Bio- und Lebenswissenschaften. So eignen sie sich etwa als Ausgangsmaterial für Filtermembranen zur Trennung von Gasen in technischen Verbrennungsprozessen oder für die Wasseraufbereitung. Grundlage für die Fülle möglicher Anwendungen ist dabei vor allem eine herausragende Eigenschaft der MOFs: ihre hohe und weitestgehend kontrollierbare Porosität. Denn die Vertreter dieser Stoffklasse bestehen aus anorganischen Teilchen, die durch organische Moleküle zu einem Netzwerk aus Poren verbunden sind. Eine der Herausforderungen ist es, tatsächlich Bauteile aus den überwiegend in Pulverform vorliegenden MOFs herzustellen. Hier kommt der Weg über das Glas ins Spiel.

Trade-Off zwischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit

Doch abgesehen von einigen wenigen Ausnahmen verhindert ausgerechnet die Porosität, dass die Materialien geschmolzen und so zu Bauteilen der gewünschten Form verarbeitet werden können. Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben nun gemeinsam mit britischen Kollegen eine Lösung für dieses Problem gefunden. Über ihre Forschungsergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature Communications“.

Um aus MOFs Bauteile für industrielle Anwendungen zu erzeugen, können sie beispielsweise zu sogenannten Hybridgläsern verarbeitet werden. Dazu muss man sie allerdings einschmelzen – ein Vorgang, der in diesem Fall nicht unkompliziert ist. Denn bisher lässt sich nur eine Handvoll Vertreter dieser Stoffklasse auch tatsächlich einschmelzen. „Bei den meisten bekannten MOF-Materialien ist gerade die hohe Porosität einer der Gründe, dass sie – bevor sie beim Erwärmen den Schmelzpunkt erreichen und sich verflüssigen – thermisch zersetzt werden, das heißt, sie verbrennen“, erklärt Vahid Nozari, Doktorand am Lehrstuhl für Glaschemie der Universität Jena. Ausgerechnet die Eigenschaft, die diese Materialien so interessant macht, verhindert also eine mögliche Verarbeitung über den Glasweg.

Ideale Kombination aus Flüssigkeit, Matrixmaterial und Schmelzbedingungen identifizieren

Wie also macht man ein nicht schmelzbares Material schmelzbar, um es dann im flüssigen Zustand formen und verarbeiten zu können? Auf diese Frage hat das Team um den Jenaer Professor Lothar Wondraczek nun eine Antwort gefunden. „Wir haben die Poren mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt, die die innere Oberfläche so stabilisiert, dass sich der Stoff schließlich schmelzen lässt, noch bevor es zu einer Zersetzung kommt“, erklärt Wondraczek die Forschungsarbeiten. Die Jenaer Forschenden konnten so zeigen, wie normalerweise nicht schmelzbare Stoffe aus der MOF-Familie der zeolithischen Imidazolatgerüste (ZIFs) tatsächlich in den flüssigen Zustand überführt und schließlich in ein Glas umgewandelt werden können. „Über diesen Weg ließe sich zukünftig das gewünschte Bauteil, etwa eine Membran oder Scheibe, formen. Reste der hilfsweise verwendeten ionischen Flüssigkeit können im Anschluss wieder ausgewaschen werden.“

Der Schlüssel für zukünftige Anwendungen sind die Reaktionen, die zwischen der ionischen Flüssigkeit und dem MOF-Material stattfinden. Diese bestimmen die Umkehrbarkeit des Prozesses, also die Möglichkeit, die Flüssigkeit nach dem Schmelzvorgang wieder auszuwaschen. Sind die Reaktionen nicht angepasst, so findet entweder keine ausreichende Stabilisierung der Porenoberfläche statt, oder es kommt zu einer unumkehrbaren chemischen Verbindung zwischen MOF und Flüssigkeit. Hierfür müssen also mit Blick auf die gewünschte Anwendung ideale Kombinationen von Flüssigkeiten, Matrixmaterialien und Schmelzbedingungen identifiziert werden, so dass auch großvolumige Objekte möglich werden.

Originalveröffentlichung

EVENTS

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 26. - 29. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Compamed

Fachmesse für Produkte aus der medizinischen Vorproduktion

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 16. - 19. November 2021

Ort: München (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Fachmesse der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz Sicherheits-Kongress 2020 parallel zur Swissbau - Praxisnahe Sicherheitsinformationen als Weiterbildung.

Datum: 18. - 21. Januar 2022

Ort: Basel (CH)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 25. - 28. Januar 2022

Ort: Hamburg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 26. - 27. Januar 2022

Ort: Bern Expo (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 15. - 18. Februar 2022

Ort: Nürnberg (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Stuttgart (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Luzern (CH)

IKV-Kunststoffverarbeitung

International Colloquium Plastics Technology Recruiting - Networking - Innovating

Datum: 16. - 17. März 2022

Ort: Aachen (D)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 22. - 24. März 2022

Ort: München (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

Heimat der Industriepioniere Jetzt mehr denn je

Datum: 25. - 29. April 2022

Ort: Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

T4M

Die neue Messe für Medizintechnik in Stuttgart.

Datum: 3. - 5. Mai 2022

Ort: Stuttgart (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Online (D)

MedtecLIVE with T4M

ein Joint Venture der MT-CONNECT und Medtec Europe und TM4

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Stuttgart/Nürnberg (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 10. - 12. Mai 2022

Ort: Online (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2022

Ort: München (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 14. - 17. September 2022

Ort: Düsseldorf (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25. - 27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 08. - 10. November 2022

Ort: Nürnberg (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21. - 24. November 2022

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis