Schon lange träumen die Menschen davon, Materialien zu entwickeln, die die Herausforderungen des täglichen Lebens meistern. Im Idealfall könnte man die Eigenschaften verschiedener Materialien kombinieren, um von ihren Vorteilen zu profitieren und gleichzeitig die Nachteile zu vermeiden. In der Chemie wird dieses Konzept auf Hybridmaterialien angewendet, insbesondere bei der Kombination organischer und anorganischer Verbindungen.
Organische Materialien sind für ihre Funktionsvielfalt bekannt, während anorganische Materialien eine überlegene Stabilität bieten. Die Fusion organischer und anorganischer Substanzen stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da für ihre Bildung unterschiedliche Reaktionsbedingungen erforderlich sind. Das Forschungsteam um Prof. Miriam Unterlass an der Universität Konstanz verwendet eine Methode, die diese gegensätzlichen Bedingungen ausbalanciert und es ermöglicht, dass die Reaktionen gleichzeitig und synergetisch in einem einzigen Reaktionsgefäß ablaufen. Chemiker nennen diese Methode „Eintopfsynthese“.
Die Forscher haben diese Methode verfeinert, um optimale Reaktionsbedingungen zu erreichen, ähnlich wie beim Kochen eines perfekten Eintopfgerichts, bei dem jede Zutat genau richtig zubereitet werden muss. Der Schlüssel zum Erfolg ist die genaue Kontrolle von Druck, Temperatur und Zeit sowie die richtige Auswahl der verfügbaren Zutaten oder, wie Chemiker sie nennen, Ausgangsstoffe.
„Das Schöne an unserem Ansatz ist seine Einfachheit“, sagt Frank Sailer, der im Rahmen seiner Doktorarbeit maßgeblich an der Eintopfsynthese beteiligt war. „Wir verzichten auf giftige Katalysatoren und Lösungsmittel und verwenden als Lösungsmittel nur Isopropanol, ein gängiges Desinfektionsmittel. Das macht unseren Prozess nachhaltig und umweltfreundlich.“
Die resultierenden Materialien, Pigment@TiO2 genannt, bestehen aus speziellen Farbstoffmolekülen, sogenannten organischen Pigmenten, und geschichtetem Titandioxid. Sind die Ergebnisse der Eintopfsynthese wirklich das Beste aus beiden Welten? Tatsächlich sind sie viel mehr als das.
Sailer: „Wir wollen nicht nur eine Summe aller Eigenschaften der beiden Einzelkomponenten erreichen, sondern neue, synergetische Eigenschaften, die keines der Materialien für sich allein aufweist.“ Diese synergetischen Eigenschaften machen pigment@TiO2-Materialien besonders geeignet für Batterieanwendungen.
Warum wurde dieser Ansatz bisher nicht zur Herstellung solcher Hybridmaterialien genutzt? „Das liegt daran, dass die Idee sehr ungewöhnlich ist. Die organischen Komponenten werden unter den verwendeten Reaktionsbedingungen normalerweise nicht synthetisiert“, erklärt Sailer.
Solche Materialien und Reaktionswege zu finden, ist eines der Forschungsziele von Unterlass‘ Forschungsteam. Sie erforschen, wie sich chemische Syntheseprozesse optimieren lassen, um zu besseren, nachhaltigeren Werkstoffen zu gelangen. „Unser Ziel ist es, schneller und umweltfreundlicher bessere Materialien herzustellen“, sagt Unterlass.
Die detaillierten Ergebnisse der Forschergruppe um Unterlass sind veröffentlicht im Journal Kleine Strukturen.
Mehr Informationen:
Frank Sailer et al., Kovalent verknüpfte Pigment@TiO2-Hybridmaterialien durch Solvothermalsynthese in einem Topf, Kleine Strukturen (2024). DOI: 10.1002/sstr.202400074