FOR 2433:  Schaltbare metallorganische Gerüstverbindungen (MOF-Switches)

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279409724

Poröse Materialien spielen eine Schlüsselrolle in Gas- und Flüssigphasentrennverfahren, Energiespeicherung, als Katalysatoren und für optische und chemische Sensorik. Metallorganische Gerüstverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks, MOFs) übertreffen andere poröse Materialien durch ihre extrem hohe Porosität und modulare Abstimmbarkeit. Während die große Mehrzahl aller porösen Materialien (und MOFs) starr ist, stellen schaltbare MOFs eine neue und einzigartige Materialklasse dar, die erst vor kurzem entdeckt wurde. Diese Materialien öffnen ihre Poren lediglich dynamisch als Reaktion auf die Anwesenheit von Gasen oder Flüssigkeiten bei einer charakteristischen Konzentration begleitet von beispiellosen, stufenweisen Volumenänderungen der Elementarzellen (mehr als 240 %) während der Gasaufnahme. Derart schaltbare MOFs sind in der Lage, spezifisch zu reagieren oder sogar erkennend bestimmte Arten molekularer Spezies aufzunehmen, indem sie ihre Poren öffnen, was zu einer stufenweisen Änderung von physikalischen (also Magnetismus, optische Dichte, Massendichte, etc. ) und chemischen Charakteristika (katalytische Aktivität, Reaktivität) führt. Überdies schließen sie ihre Poren reversibel, sobald die jeweiligen Gastmoleküle abwesend sind. Ein Verständnis der Prinzipien dieser dynamischen Phänomene in derartigen Materialien böte eine einzigartige technologische Grundlage für die Konzeption schaltbarere Katalysatoren, Filter, Schwellenwertsensoren oder durch Stimuli induzierte Medikamentenfreisetzung vergleichbar zu Rezeptorsystemen mit integrierter Schlüssel-Schloss-Funktionalität. Jedoch verlief die Entdeckung schaltbarer MOFs (auch als gating MOFs oder atmende MOFs bezeichnet) weitgehend zufallsgetrieben. Bis heute ist nur eine begrenzte Zahl dieser Materialien bekannt und es ist unmöglich, diese rational vorherzusagen, da die zugrunde liegenden mikrostrukturellen Prinzipien, welche für ein derart hohes Maß an Flexibilität verantwortlich sind, unbekannt sind. Um schaltbare MOFs in Trennverfahren, Katalyse oder Sensoren technologisch integrieren zu können, ist ein grundlegendes Verständnis der Strukturprinzipien und Gas-Festkörper-Interaktionsmechanismen unerlässlich. Die neue Forschergruppe widmet sich primär den Grundlagen der Porositätsschaltungsphänomene in Festkörpern und den zugrunde liegenden Prinzipien. Auf idealisierte Modellmaterialien ausgerichtet soll die Rolle der Netzwerkkomponenten in Bezug auf das Ausmaß an Flexibilität in einer eng abgestimmten Zusammenarbeit experimenteller und theoretischer Herangehensweisen untersucht werden, um ein Modell zur die Vorhersage von flexiblen Netzwerken abzuleiten. Nur eine interdisziplinäre Herangehensweise in einer fokussierten Forschergruppe bietet die notwendige Organisationsstruktur, welche notwendig ist, um ein Gerüst für die Vorhersage schaltbarere MOFs zu entwickeln, gefördert durch eine intensive Zusammenarbeit von Theoretikern, synthetisch arbeitenden Chemikern und Physikern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Koordinationsfonds (Antragsteller Kaskel, Stefan )
• Kraftfeld-Simulationen von gast-induzierten Öffnungs-Phänomenen (Antragsteller Schmid, Rochus )
• Multivariate, flexible MOFs: Die Rolle funktionalisierter Linker, Heteriogenität und Defekte (Antragsteller Fischer, Roland A. )
• Synthese schaltbarer MOFs für Gas- und Flüssigphasentrennungen: Maßgeschneiderte Modellmaterialien für das Verständnis der Selektivität (Antragsteller Kaskel, Stefan )
• Untersuchungen zu Adsorptions-induzierten Strukturumwandlungen in MOFs auf molekularer Ebene mittels in situ EPR-Spektroskopie (Antragsteller Pöppl, Andreas )
• Untersuchungen zur Selektivität von Adsorptionsvorgängen an flexiblen metallorganischen Gerüstverbindungen mittels in situ- und Festkörper-NMR-Spektroskopie (Antragsteller Brunner, Eike )
• Zur Ausnutzung der Flexibilität, Responsivität und chemischer Selektivität in schaltbaren „pillared layer MOFs“ für spezifische Gasadsorption und –separation – ein first-principles-Ansatz (Antragsteller Heine, Thomas )

• Sprecher: Professor Dr. Stefan Kaskel