NSF-DFG Confine: Diffusion von Wasser in hydrophob-hydrophil strukturierten Nanoporen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Sauer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509313931

Ohne Wasser ist Leben nicht denkbar. Es ist deshalb von fundamentalem Interesse zu verstehen, wie sich Wassermoleküle unter räumlicher Beschränkung bewegen. Wir beabsichtigen, metal-organische Gerüstverbindungen (MOFs) zu untersuchen, die sich als geeignete Materialen für die Gewinnung von Wasser aus Wüstenluft erwiesen haben. Das Besondere ist, dass sich deren Nanoporen durch eine regelmäßige Abfolge von hydrophilen und hydrophoben Bereichen auszeichnen, und wir wollen verstehen, wie sich diese strukturelle Besonderheit auf die Diffusion der Wassermoleküle auswirkt.Unsere Ab initio-Computersimulationen auf der Grundlage quantenchemischer Rechnungen sind eng mit Experimenten verbunden. Mittels der Theorie des Übergangszustandes werden wir Geschwindig-keitskonstanten für die intrakristalline Diffusion bestimmen, und wir werden Festkörper-NMR und Quasielestische Neutronenstreuung zur Verifizierung der Voraussagen verwenden. Zum Vergleich mit makroskopischen Diffusionsdaten, die z.B. mit „swing frequency response”-Messungen gewonnen wurden, sind makrokinetische Modelle erforderlich, in die auch Informationen über die Diffusion zwischen den MOF-Körnern eingehen.Unsere Ziele sind: (1) Ab initio-Berechnung mit chemischer Genauigkeit von Adsorptionskonstanten für Wassermoleküle auf einem Gitter von Adsorptionsplätzen und von Diffusionskonstanten für Sprünge von Wassermolekülen zwischen diesen Adsorptionsplätzen; (2) Voraussage von Adsorption-sisothermen und Diffusionskonstanten als Funktion der Wasserbeladung mit Hilfe von großkanonischen Monte Carlo-Simulationen bzw. von kinetischen Monte Carlo-Simulationen auf einem Gitter von Adsorptionsplätzen. Mit diesen Untersuchungen zur Diffusion in MOFs wollen wir Fortschritte beim atomistischen Verständnis der Aufnahme und Abgabe von Wassermolekülen aus MOF-Poren mit alternierenden hydrophilen und hydrophoben Bereichen erzielen. Dieses neue fundamentalen Verständnis wird Voraussagen neuer MOFs mit verbesserten Eigenschaften für die Gewinnung von Wasser aus Luft ermöglichen und so zu einen Paradigmenwechsel bei der Entwicklung von Materialien für die Wassergewinnung führen, von Versuch-und-Irrtum zu einem präzisen Design des Verhaltens von Wasser in Nanoporen. Das wird die Entwicklung von Geräten beschleunigen, die sauberes Wasser für eine große Zahl von Menschen in unterschiedlichen Klimazonen liefern können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Laura Gagliardi; Professor Dr. Omar M. Yaghi