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Entwicklung von intelligenten Materialien der nächsten Generation mit der Kraft des Klangs

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Forscher haben Schallwellen genutzt, um Atome und Moleküle präzise zu manipulieren und so die nachhaltige Produktion bahnbrechender intelligenter Materialien zu beschleunigen.

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Metallorganische Gerüste oder MOFs sind unglaublich vielseitige und superporöse Nanomaterialien, mit denen fast alles gespeichert, getrennt, freigegeben oder geschützt werden kann.

MOFs, die als das bestimmende Material des 21. Jahrhunderts gelten, sind ideal, um Substanzen in winzigen Konzentrationen zu erfassen und einzufangen, Wasser oder Luft zu reinigen und können auch große Mengen an Energie speichern, um bessere Batterien und Energiespeicher herzustellen.

Wissenschaftler haben mehr als 88.000 genau angepasste MOFs entworfen - mit Anwendungen von der Landwirtschaft bis hin zu Pharmazeutika -, aber das traditionelle Verfahren zu ihrer Herstellung ist umweltschädlich und kann mehrere Stunden oder sogar Tage dauern.

Jetzt haben Forscher der RMIT University in Melbourne, Australien, eine saubere, grüne Technik demonstriert, die in wenigen Minuten ein individuelles MOF produzieren kann.

Dr. Heba Ahmed, Hauptautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie, sagte, dass die effiziente und skalierbare Methode die Präzisionsleistung hochfrequenter Schallwellen nutzt.

"MOFs haben grenzenloses Potenzial, aber wir brauchen sauberere und schnellere Synthesetechniken, um all ihre möglichen Vorteile voll auszuschöpfen", sagte Ahmed, Postdoc-Forscher im Micro/Nanophysics Research Laboratory des RMIT.

"Unser akustisch orientierter Ansatz vermeidet die Umweltschäden herkömmlicher Methoden und produziert gebrauchsfertige MOFs schnell und nachhaltig.

"Die Technik eliminiert nicht nur einen der zeitaufwändigsten Schritte bei der Herstellung von MOFs, sie hinterlässt auch keine Spuren und lässt sich leicht für eine effiziente Massenproduktion skalieren."

Soundgerät: Wie man ein MOF macht

Metallorganische Gerüste sind kristalline Pulver voller winziger, molekularer Löcher.

Sie haben eine einzigartige Struktur - Metalle, die durch organische Linker miteinander verbunden sind - und sind so porös, dass, wenn man ein Gramm eines MOF nimmt und seine innere Oberfläche verteilt, man eine Fläche abdecken würde, die größer ist als ein Fußballfeld.

Einige haben vorhergesagt, dass MOFs für das 21. Jahrhundert genauso wichtig sein könnten wie Kunststoffe für das 20. Jahrhundert.

Während des Standardproduktionsprozesses werden Lösungsmittel und andere Verunreinigungen in den Löchern des MOF eingeschlossen.

Um sie auszuspülen, verwenden Wissenschaftler eine Kombination aus Vakuum und hohen Temperaturen oder schädlichen chemischen Lösungsmitteln in einem Prozess namens "Aktivierung".

In ihrer neuartigen Technik verwendeten die RMIT-Forscher einen Mikrochip, um hochfrequente Schallwellen zu erzeugen.

Mitautor und Akustikexperte Dr. Amgad Rezk sagte, dass diese für den Menschen nicht hörbaren Schallwellen für die präzise Mikro- und Nanofertigung genutzt werden können.

"Auf der Nanoskala sind Schallwellen mächtige Werkzeuge für die sorgfältige Ordnung und Manövrierung von Atomen und Molekülen", sagte Rezk.

Die "Zutaten" eines MOF - ein Metallvorläufer und ein bindendes organisches Molekül - wurden den vom Mikrochip erzeugten Schallwellen ausgesetzt.

Mit Hilfe der Schallwellen, die diese Elemente anordnen und miteinander verbinden, gelang es den Forschern, ein hochgeordnetes und poröses Netzwerk zu schaffen und gleichzeitig das MOF zu "aktivieren", indem sie die Lösungsmittel aus den Löchern herausdrücken.

Der leitende Forscher, Distinguished Professor Leslie Yeo, sagte, dass die neue Methode MOFs mit leeren Löchern und einer großen Oberfläche produziert, wodurch die Notwendigkeit einer "Aktivierung" nach der Synthese entfällt.

"Bestehende Techniken brauchen in der Regel lange Zeit von der Synthese bis zur Aktivierung, aber unser Ansatz produziert MOFs nicht nur innerhalb weniger Minuten, sie sind bereits aktiviert und bereit für die direkte Anwendung", sagt Yeo, Professor für Chemieingenieurwesen und Direktor des Micro/Nanophysics Research Laboratory am RMIT.

Die Forscher testeten den Ansatz erfolgreich an kupfer- und eisenbasierten MOFs, wobei die Technik auf andere MOFs ausgedehnt und für eine effiziente grüne Produktion dieser intelligenten Materialien skaliert werden konnte.