Forschungsteam gelingt die Schaffung neuartiger metallorganischer Gerüste

Nach ihrer Entdeckung vor 25 Jahren erlangten metallorganische Gerüste (MOFs) aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften schnell die Aura eines „Wundermaterials“: Ihre großen inneren Oberflächen und einstellbaren Porengrößen ermöglichen verbesserte Anwendungen, beispielsweise in der Stofftrennung und im Gasbereich Lagerung.

Während bisherige Vertreter hauptsächlich auf Übergangsmetallen wie Kupfer und Zink basierten, hat sich ein Team am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) exotischeren Teilen des Periodensystems gewidmet: Sie untersuchten analoge Verbindungen mit Aktiniden als anorganischer Komponente. Damit tragen sie unter anderem dazu bei, die sichere Entsorgung radioaktiver Stoffe zu fördern.

Die Rossendorfer Wissenschaftler haben damit die Grundlage für Gerüste gelegt, die als Hauptbestandteil eine Reihe von Aktiniden-Metallionen beherbergen können, nämlich Thorium und Uran sowie die Transurane Neptunium und Plutonium.

„Die meisten dieser Elemente in der letzten Reihe des Periodensystems sind künstlich. Sie sind das Produkt eines Neutronenbeschusses oder ein Nebenprodukt in einem Kernreaktor. In ihnen hat der Mensch extrem gefährliche Substanzen geschaffen, weil sie alle radioaktiv sind und in teilweise hochgiftig“, erklärt Dr. Moritz Schmidt vom Institut für Ressourcenökologie des HZDR.

„Das bedeutet auch, dass alle unsere experimentellen Arbeiten unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt werden müssen. Unser Arbeitspferd ist die Koordinationschemie, also die Bildung von Metallkomplexen mit überwiegend organischen Molekülen“, erläutert Dr. Juliane März die Hintergründe bei den Teamaktivitäten.

Innerhalb der Koordinationschemie sind metallorganische Gerüste ein relativ junges Gebiet. Die hochporösen Festkörper bestehen aus Metallen oder Metall-Sauerstoff-Clustern, die modular durch Säulen aus organischen Chemikalien verbunden sind und Netzwerke flexibler Hohlräume bilden, die an die Poren eines Küchenschwamms erinnern.

Zunächst konzentrierte sich die Forschung auf die Übergangsmetalle. „Gute Aussichten für neue Anwendungen führten uns bald dazu, uns mit Elementen mit komplexen Elektronenhüllen zu befassen – zunächst mit den Seltenerdmetallen und schließlich auch mit den Aktiniden. Aber über Transurane, die nicht natürlich vorkommen, ist noch fast nichts bekannt , wie Neptunium und Plutonium“, skizziert März die Chronologie.

Hochsymmetrische Gerüste aus molekularen Bausteinen – maßgeschneiderte Anwendungen

Als organische Säule verwendeten sie chemisch modifiziertes Anthracen, ein prominentes Beispiel für polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. „Wir wissen, dass kristallines Anthracen der beste organische Szintillator ist: Wenn energiereiche Strahlung diesen Stoff durchdringt, regt es seine Moleküle durch Stoßprozesse an. Die Anregungsenergie wird in Form von blauem Licht abgegeben. Deshalb leuchten auch unsere Gerüste.“ Schmidt berichtet. Und sie weisen noch eine besondere Eigenschaft auf: die Breite ihrer Bandlücke, die ein Maß für die energetische Differenz zwischen Valenzband und Leitungsband ist.

„Bei Halbleitern hat bei sehr tiefen Temperaturen nur das Valenzband Ladungsträger, in diesem Zustand ist es nicht leitend. Wenn Energie zugeführt wird, wandern sie in das Leitungsband und lösen so einen Stromfluss aus. Messungen zeigen, dass unsere neues Material ist einer der sogenannten Breitbandhalbleiter, die vor allem in der Leistungselektronik und Sensorik eine Rolle spielen, also als Detektor für ionisierende Strahlung nutzbar sein könnten – und die von uns eingebauten Aktinide liefern eine konstante interne Strahlungsreferenz gleichzeitig“, sagt Schmidt.

Frühe Untersuchungen von MOFs durch Forschergruppen weltweit synthetisierten Vertreter, die immer größere innere Oberflächen aufwiesen und damit zu Alternativen zu Aktivkohle und Zeolithen geworden sind, beispielsweise in der Stofftrennung oder in katalytischen Prozessen. Ihr Vorteil liegt darin, dass durch ihren modularen Aufbau unterschiedliche Netzwerktopologien realisierbar sind; Darüber hinaus kann die Porengröße sehr fein abgestimmt werden, indem eine geeignete Säule für die beabsichtigte Anwendung ausgewählt wird, z. B. effiziente Adsorptionsmittel für eine sehr spezifische Chemikalie.

März und Schmidt gehen noch einen Schritt weiter und fügen ihrer Arbeit eine neue Facette hinzu. Sie haben Anwendungen auf einem Gebiet identifiziert, auf dem das Institut für Ressourcenökologie des HZDR forscht: die sichere Entsorgung radioaktiver Stoffe. Die Forscher erwägen daher die Entwicklung einer maßgeschneiderten Abfallmatrix, die Aktinide im Gerüst und Spaltprodukte in ihren Poren immobilisiert.

Die Forschung ist veröffentlicht in Zeitschrift der American Chemical Society und basierend auf früheren Arbeiten, die in veröffentlicht wurden Bewertungen der Koordinationschemie.