Poröse organische Materialien für Gasadsorption

Nanostrukturierte Materialien mit gut definierten Poren sind Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung für die Verwendung bei der Detektion, Speicherung und Trennung von Gasen. Zeolithe, Tone, metall-organische Gerüste und mesoporöse Metalloxide gehören zu den Materialien, die für Anwendungen in Bereichen wie Umwelt, Energie und Biomedizin entwickelt werden.

Poröse molekulare Feststoffe können eine wichtige Alternative darstellen. Diese organischen Verbindungen können hinsichtlich Porengröße und funktionellen Gruppen entlang der Poren für eine sehr hohe Selektivität zugeschnitten werden. Ferner könnten dynamische molekulare Strukturveränderungen für makromolekulare Schalter oder Aktuatoren genutzt werden. Das EU-finanzierte Projekt "Synthesis and characterization of porous molecular solids" (POMOS) konzentriert sich auf Calixarene und Cyclopeptoide als Bausteine für Geräte, die auf Gas-Feststoff-Interaktionen auf atomarer Ebene beruhen.

Calixarene und Cyclopeptoide sind makrozyklische organische Verbindungen, deren Hohlräume kleine Moleküle oder Ionen für die Bildung eines Wirt-Gast-Systems halten können. Calixarene wurden bereits erfolgreich als Bausteine für nanostrukturierte Materialien eingesetzt, während Cyclopeptoide relativ unerforscht sind.

Neuartige Calixarene und Cyclopeptoide wurden bereits synthetisiert und in Vorversuchen charakterisiert. Die Ergebnisse aus der Charakterisierung von Calixarenen mit einkristalliner Pulverröntgenbeugung sowie thermischer Analyse wurden beim Europäischen Crystallographic Meeting im Jahr 2013 und in zwei Publikationen vorgestellt.

Calixaren-basierte Verbindungen wurden unter nicht-Umgebungsbedingungen mit einer maßgeschneiderten Gaszelle auch auf ihre Gasadsorptionseigenschaften hin getestet. Der Aufbau ermöglicht es den Wissenschaftlern, die Wirt-Gast-Wechselwirkungen mit atomarer Auflösung zu ermitteln, um die Adsorptionsmechanismen zu charakterisieren.

Die Daten aus den Experimenten mit der Gaszelle an Großanlagen für Synchrotronstrahlung und Neutronenbeugung dienen zur Ergänzung der anderen Charakterisierungsmethoden. Diese Einrichtungen sind in der Lage, in situ-Einkristall-Röntgenbeugung, bei der nur sehr kleine (10 Mikron) Einkristalle entstehen, und/oder hochauflösenden in situ-Röntgenpulverbeugung für kristallines Pulver durchzuführen.

Die effektiven Strategien für die Charakterisierung der Gasadsorptionsgeschwindigkeit und Freisetzung von neuartigen makularen porösen Materialien wird maßgeblich zur Entwicklung von neuartigen Vorrichtungen für Detektion, Trennung und Lagerung von Gasen beitragen. Solche Geräte sind von enormem wirtschaftlichem Interesse und somit wird das Projekt zu einer starken Stellung der EU in einem wichtigen globalen Markt beitragen.