Ein For­schungs­team um die Arbeits­gruppe von Prof. Se­bas­ti­an Henke von der Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie der TU Dort­mund hat in Ko­ope­ra­ti­on mit Partnern der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum das außergewöhnliche responsive Verhalten von porösen metallorganischen Gerüstverbindungen un­ter­sucht. Diese kön­nen sich in Ab­hän­gig­keit von ihren Um­ge­bungs­be­din­gun­gen ähnlich wie ein Stück Papier zusammenknüllen und wieder entfalten. Die Erkennt­nisse, die von hoher Relevanz etwa für ih­re An­wen­dung in der Energiespeicherung oder molekularen Separation sind, wurden kürzlich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions ver­öf­fent­licht.

Metallorganische Gerüstverbindungen (kurz MOFs für Metal-Organic Frameworks) sind synthetische Ma­te­ri­alien. Sie setzen sich modular aus organischen und anorganischen Molekülen zu­sam­men und weisen eine poröse, offene Struk­tur auf. Einige MOFs zeigen zudem responsive Ei­gen­schaf­ten, das heißt, sie ändern ih­re Kristallstruktur in Ab­hän­gig­keit von den Um­ge­bungs­be­din­gun­gen. So verändert sich – etwa wenn man die che­mi­sche Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre variiert oder mechanischen Druck ausübt – die Größe und Form der Poren. Durch diese Responsivität sind MOFs unter an­de­rem in der Lage, sehr effizient Gase zu speichern oder Mo­le­kü­levoneinander zu trennen.

Doktorand Roman Pallach aus der Arbeits­gruppe um Prof. Se­bas­ti­an Henke hat nun eine neue Form der Responsivität in MOFs entdeckt: Durch gezielte che­mi­sche Modifikation der organischen MOF-Bausteine schalten die Netzwerke nicht mehr zwischen zwei kristallinen – also geordneten – Zuständen hin und her, sondern zwischen ei­nem geordneten und ei­nem sehr komplexen, ungeordneten Zustand. Die modifizierten Bausteine er­zeu­genkon­kur­rie­ren­de Wechsel­wir­kungen innerhalb der Netzwerkstrukturen, so dass der ungeordnete Zustand bei Abwesenheit von Gastmolekülen – zum Beispiel von gespeicherten Gasen – in den Poren bevorzugt ist.

„Wenn wir die Gastmoleküle aus den Poren entfernen, ist das Netz­werk gewissermaßen frustriert und kann sich nur ungeordnet zusammenfalten,“ sagt Prof. Se­bas­ti­an Henke. „Ein Zusammenfalten unter Erhalt der Ordnung ist bei diesen MOFs nicht mög­lich.“

Un­ter­su­chung mit Röntgenstreumethoden

In Ko­ope­ra­ti­on mit Dr. Julian Keupp von der Arbeits­gruppe um Prof. Rochus Schmid von der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum und Mitarbeitern der Arbeits­gruppe um Prof. Rasmus Linser vom Bereich Physikalische Chemie der TU Dort­mund haben die Wis­sen­schaft­ler das responsive Verhalten der MOFs theoretisch und ex­pe­ri­men­tell un­ter­sucht und konn­ten dabei tiefe Einblicke in die Struk­turund temperaturabhängige Dynamik des ungeordneten Zustands erlangen. Neben Computersimulationen und spektroskopischen Techniken setzten sie dazu aufwendige Röntgenstreumethoden an der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA der TU Dort­mund, dem Deut­schen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und der Diamond Light Source (bei Oxford, UK) ein.

Die Er­geb­nisse des in­ter­dis­zi­pli­nä­ren Forschungsteams wurden kürzlich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions ver­öf­fent­licht. Gefördert wurde das Projekt u.a. im Rah­men des ge­mein­samen Exzel­lenz­clus­ters RESOLV der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum und der TU Dort­mund. Zur Veröffentlichung:R. Pallach, J. Keupp, K. Terlinden, L. Frentzel-Beyme, M. Kloß, A. Machalica, J. Kotschy, S. K. Vasa, P. A. Chater, C. Sternemann, M. T. Wharmby, R. Linser, R. Schmid, S. Henke, Nat. Commun. 2021, 12, 4097: Frustrated Flexibility in Metal-Organic Frameworks. DOI: 10.1038/s41467-021-24188-4