Optimierung metallorganischer Gerüste auf atomarer Ebene

Sauberes Trinkwass­er und der Zugang davon wird in manchen Regio­nen immer schwieriger. Daher arbeit­en Forscher:innen und Ingenieur:innen seit eini­gen Jahren an Meth­o­d­en, Wass­er aus Wüsten­luft zu „ern­ten“. Dabei spie­len poröse met­al­lor­gan­is­che Mate­ri­alien eine zen­trale Rolle. In ihren Hohlräu­men ver­fan­gen sich Wasser­moleküle aus der Luft beson­ders gut. Ein deutsch-amerikanis­ches Forscherteam hat nun die moleku­lar­chemis­chen Vorgänge der Wasser­ernte analysiert und die Mate­ri­alien optimiert.
Die Ergeb­nisse der Studie, an der auch Prof. Dr. Joachim Sauer von der Hum­boldt-Uni­ver­sität zu Berlin sowie die Hum­boldt-Forschung­spreisträgerin Prof. Dr. Lau­ra Gagliar­di mit­gear­beit­et haben, sind nun im Fachjour­nal Sci­ence erschienen.
In met­al­lor­gan­is­che Mate­ri­alien, auch MOFs genan­nt, bilden Met­alle und organ­is­che Stoffe eine poröse Gerüst­struk­tur mit beson­ders vie­len winzi­gen Hohlräu­men und ein­er hohen inneren Ober­fläche. Bes­timmte, auf Alu­mini­um basierte MOFs wur­den so kon­stru­iert, dass sich Wasser­moleküle beson­ders gut in den Hohlräu­men ver­fan­gen – sog­ar bei ein­er gerin­gen Luft­feuchtigkeit von 20 Prozent, wie sie in Wüsten üblich ist. Die Wärme der Sonne presst anschließend das „geern­tete“ Wass­er aus dem MOF. Ohne zusät­zliche Energie lässt sich so sauberes Trinkwass­er gewin­nen. Daher sehen vie­len in MOFs großes Poten­tial, um Men­schen in trock­e­nen Gebi­eten mit Wass­er zu ver­sor­gen. Wie und warum in den MOFs Wasser­moleküle hän­gen bleiben, hat man bish­er allerd­ings nicht richtig verstanden.
Das Forscherteam hat daher mith­il­fe von Rönt­genkristal­lo­gra­phie und quan­ten­chemis­chen Berech­nun­gen in die Hohlräume der MOFs geblickt und auf atom­ar­er Ebene analysiert, wie genau sich die Wasser­moleküle aus der Luft in dem met­al­lor­gan­is­chen Gerüst ver­fan­gen und sam­meln. Dabei stellte das Team fest, dass während sich die ersten Wasser­moleküle mit den organ­is­chen Stof­fen des MOF verbinden, die weit­eren Wasser­moleküle viel bess­er mit den bere­its vorhan­de­nen Wasser­molekülen interagieren.
Sie bilden inner­halb der Hohlräume zunächst Ket­ten, dann Clus­ter und schließlich ein Net­zw­erk an Clus­tern. Wichtig war dabei auch, dass die ersten Wasser­moleküle nicht zu fest mit den MOFs ver­bun­den sind, da son­st das Wass­er nicht richtig aus dem Mate­r­i­al her­aus­ge­presst wer­den kann. Auf Basis all dieser Erken­nt­nis entwick­el­ten die Forschen­den mith­il­fe von Exper­i­menten und Com­put­er­mod­ellen MOFs, die den Wasser­molekülen die Möglichkeit geben Clus­ter zu bilden, ohne zu fest an den organ­is­chen Stof­fen zu kleben.

„Die Entwick­lung von wasser­aufnehmenden Mate­ri­alien basierte bish­er auf dem Prinzip Ver­such und Irrtum. Da wir jet­zt ver­ste­hen, wie die moleku­lare Evo­lu­tion von Wasser­struk­turen in met­al­lor­gan­is­chen Mate­ri­alen funk­tion­iert, kön­nen wir diese auf atom­ar­er Ebene gezielt optimieren.“
— Prof. Dr. Joachim Sauer, Co-Autor der Studie

Da Wasser­moleküle sich je nach Außen­tem­per­atur und Luft­feuchtigkeit anders ver­hal­ten, kön­nen mith­il­fe der Erken­nt­nisse der Studie auch MOFs erstellt wer­den, die für bes­timmte Umweltbe­d­ingten opti­miert sind und sog­ar in küh­leren Gegen­den funktionieren.