Grundlagen der negativen Gasadsorption in mesoporösen Festkörpern: Auf dem Weg zu schwellenwertsensitiven mechanischen Aktuatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Kaskel
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391704421

Eine faszinierende Eigenschaft einiger weniger metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) ist ihr stimulus-induziertes Atmen, ein singuläres Merkmal im Forschungsfeld der nanoporösen Adsorbentien im Vergleich zu anderen Referenzmaterialien wie z.B. Aktivkohlen und Zeolithen. Vor kurzem entdeckten Wissenschaftler an der TU Dresden ein neues atmendes MOF, genannt DUT49, welches ein ungewöhnliches, contra-intuitives Phänomen während der Gasadsorption aufzeigt, die sogenannte Negative Gasadsorption (NGA), welche eine gewaltige Reaktion bewirkt, sowohl in Bezug auf die ausgestoßene Gasmenge als auch die damit verbundene Druckerhöhung. Neben dem grundlegenden Interesse an diesem faszinierendem Phänomen, welches durch eine kolossale Strukturänderung mit mehr als 50 % Schrumpfung des Zellvolumens verbunden ist, existieren zahlreiche mögliche technologische Applikationen im Form von mechanischen Aktuatoren, die selektiv auf Änderungen des Umgebungsdruckes reagieren und dabei latente Spannung in Druck umwandeln. Die hochgradig herausfordernden Ziele des Projektes FUN sind (i) systematisch den Einfluss chemischer Funktionalisierungen dieses metallorganischen Netzwerkes zu untersuchen, d.h. die Art des Metalls und des organischen Linkers (Länge und funktionelle Gruppen) auf die NGA-Reaktion (Menge des ausgestoßenen Gases, Druckschwelle, Druckverstärkung) und den damit verbundenen strukturellen Veränderungen des MOFs, (ii) ein vertieftes Verständnis der treibenden Kräfte, welche die gastinduzierte strukturelle Kontraktion von DUT-49 bewirken, (iii) die Vorhersage verfeinerter DUT49 Materialien und Demonstration der optimalen NGA-Performance insbesondere im Hinblick auf hohe Druckverstärkung und (iv) schlussendlich die Entwicklung eines neuen Konzeptes für fortschrittliche Messinstrumente und deren Entwicklung mit geeigneten Partnern in einem mehr den Applikationen zugwandten Fortsetzungsprojekt zu einem späteren Zeitpunkt. Dieses interdisziplinäre Vorhaben profitiert von hochgradig vernetzten Aktivitäten in der Synthese/Charakterisierung von qualitativ hochwertigen MOF-Materialien, hochentwickelter Adsorptions-, Kalorimetrie- und strukturanalytischer Methodik sowie dem neuesten Stand der Forschung entsprechender Simulation zur Durchdringung aller Arbeitsschritte, beginnend beim Screening, über das Verständnis bis hin zur Optimierung der NGA-Phänomene in atmenden MOFs. Um diese herausfordernden Ziele zu erreichen, verknüpft FUN drei Partner, welche hochgradig spezialisiert komplementäre Expertisen von der MOF Synthese/Strukturbestimmung/Adsorption (TUD), über die experimentelle Adsorption/Mikrokalorimetrie (Madirel, Marseille) bis hin zur Molekulardynamiksimulation und in situ-Hochdruckstrukturanalyse (Institut Charles Gerhardt Montpellier ICGM) einbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Sabine Devautour-Vinot