Zu klarem Wasser in Millisekunden

Am Max-Planck-Insti­tut für Kol­loid- und Gren­zflächen­forschung haben Forsch­er eine Mem­bran entwick­elt, die aus unzäh­li­gen nanome­terkleinen Röhren beste­ht. Diese set­zten sie als Nanore­ak­tor ein, um mith­il­fe von Son­nen­licht in Mil­lisekun­den mit Methylen­blau markiertes Wass­er in klares umzuwan­deln. „Reak­tio­nen in Flüs­sigkeit­en mit gerin­ger­er Viskosität blitzschnell ablaufen zu lassen, stellt eine neue Chance für die Chemie dar,“ sagt Prof. Dr. Markus Antoni­et­ti, Direk­tor der Abteilung Kolloidchemie.
Die Chemie gilt oft als aus­gereifte Diszi­plin, in der neue Erken­nt­nisse nur an den äußeren Rän­dern entste­hen. Ein Team um Grup­pen­leit­er Dr. Alek­san­dr Sava­teev hat nun gezeigt, dass es ger­ade im Inneren – im Nanobere­ich – noch bemerkenswerte Über­raschun­gen gibt. Eigen­schaften gängiger Flüs­sigkeit­en wie Wass­er hän­gen von der Größe des Behält­niss­es ab, in dem sie eingeschlossen sind. Füllt man Wass­er als bere­its recht agile Flüs­sigkeit mit geringer Viskosität in ein Behält­nis in Nanogröße, in das nur wenige Wasser­moleküle passen, so wird es “super­flu­idisch”. Je klein­er der Raum, desto größer ist der Supraflu­id-Effekt. Wass­er ist also nicht gle­ich Wasser.

Funktionsweise

In ihren Reak­tion­sex­per­i­menten entwick­elte die Sava­teev-Gruppe eine Mem­bran, die aus Mil­liar­den von par­al­lel ange­ord­neten Kohlen­stoffni­trid-Röhren beste­ht. Jedes dieser Röhrchen ver­fügt über einen Durchmess­er von weni­gen Nanome­tern, was 1/10.000 eines men­schlichen Haares entspricht. Sie beobachteten, dass Wass­er ohne jegliche Rei­bung durch sie hin­durch­gleit­et. Dabei wird Licht als Treiber für die chemis­che Umwand­lung von ver­schmutztem zu sauberem Wass­er genutzt, während der durch die Mem­bran erzeugte Quan­tenein­schluss auch die Energie des Lichts mit bish­er unerr­e­ichter Effizienz lenkt. Die konkave Ober­fläche der par­al­le­len, fast eindi­men­sion­alen Röhren dient als eine Art Spiegel, der das interne elek­trische Feld im Inneren der Nanoröhre konzen­tri­ert. In Verbindung mit dem von außen ein­fal­l­en­den Licht erhöht dies die Reak­tion­s­geschwindigkeit enorm. „Im gewöhn­lichen 3D-Raum sind diese Reak­tion­s­geschwindigkeit­en von Mil­lisekun­den ein­fach unmöglich,“ sagt Dr. Savateev.

„Wir arbeit­en aktiv an der Entwick­lung dieser Tech­nolo­gie, um Treib­stoff und andere für die Gesellschaft wichtige Mate­ri­alien mit nach­haltiger Energie wie Son­nen­licht in ein­fachen Geräten, ver­gle­ich­bar mit einem Kaf­feefilter, zu erzeugen.“
— Alek­san­dr Savateev