Die Gewinnung von Trinkwasser aus der Luft in der Wüste mag wie Science-Fiction klingen, ist aber schneller möglich, als wir denken. Die Lösung liegt in einer neuen Materialklasse mit außergewöhnlichen Eigenschaften — metallorganische Gerüste (MOF), die immer mehr in aller Munde sind. An der Chalmers University of Technology gibt es Forscher mit führender Expertise auf diesem Gebiet.
Metallorganische Gerüste (MOF) tauchten in den 1990er Jahren auf, und heute haben Chemiker etwa 80 000 MOF mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt — eine einzigartig schnelle Entwicklung. Eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Professor Lars Öhrström und Dr. Francoise Amombo Noa an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der
Chalmers, befasst sich seit vielen Jahren mit diesem Gebiet und wird häufig als Experte auf internationaler Ebene engagiert.
“Metallorganische Gerüste sind einer unserer vielversprechendsten Bereiche für die Entwicklung vieler nachhaltiger technischer Lösungen, die die Welt braucht. Aber hier geht es um mehr als um Anwendungen. Es handelt sich um eine grundlegende Revolution in der Art und Weise, wie wir den festen Zustand betrachten”, sagt Lars Öhrström.
Hervorragende Eigenschaften zum Einfangen und Trennen von Substanzen
Ein MOF ist eine feste, poröse Substanz, die aus Metallionen besteht, die mit organischen Molekülen zu einem Netzwerk verbunden sind — eine molekulare Version des Modellbausatzes Mekano.
Die Netzwerke haben große innere Löcher, in die man Dinge hineinstecken und herausnehmen kann, was ihnen sehr gute Eigenschaften zum effizienten Auffangen oder Trennen verschiedener Stoffe verleiht. Forscher sehen ein großes Potenzial für den Einsatz von den Gerüsten in vielen verschiedenen wichtigen Bereichen, wie z. B. bei der Biogasspeicherung, der Kohlendioxidabscheidung, der kontrollierten Abgabe von Medikamenten — der so genannten Drug Delivery — und bei der Vernichtung chemischer Waffen.
In jüngster Zeit hat die kommerzielle Nutzung von MOF-Materialien begonnen, um toxische Gase zu speichern, die in der Elektronikindustrie verwendet werden, und in Form von so genannten Kristallschwämmen für Forschungsanwendungen in der pharmazeutischen Industrie.
Große Fortschritte für die Technologie in einer neuen Studie
Ein Bereich, in dem diese Gerüste zu einer revolutionären Entwicklung beitragen können, ist die Gewinnung von Wasser aus der Wüstenluft. In diesem Zusammenhang wirken sie wie ein Schwamm, in den Wasser leicht hineinschlüpfen und dann in den Hohlräumen des Materials gespeichert werden kann. Das Problem, mit dem die Forscher zu kämpfen haben, ist, dass es viel Energie braucht, um das Wasser freizusetzen. Amerikanische und deutsche Forscher haben es nun geschafft, ein Gerüst dazu zu bringen, das Wasser bei einer um 10 Grad niedrigeren Temperatur als bisher freizusetzen, und konnten im Detail zeigen, wie die Wassermoleküle aufgefangen werden. Die Studie, die vor kurzem in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, stellt einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet dar. Lars Öhrström wurde zusammen mit seiner Kollegin Francoise Amombo Noa eingeladen, die Arbeit als Experten in einem Artikel zu kommentieren, der in der gleichen Ausgabe von Science veröffentlicht wurde.
“Bislang ist diese Technologie nur im Pilotmaßstab verfügbar, aber voll entwickelt könnte sie die Gewinnung von Trinkwasser in Wüstengebieten ermöglichen. Die Konsequenzen, die sich daraus ergeben können, sind sogar noch größer. Technologien, die es uns ermöglichen, Phasenübergänge von Wasser von Gas zu Flüssigkeit zu nutzen, sind in allen Bereichen von Bedeutung, von der Entsalzung von Meerwasser bis zur Kontrolle des Innenraumklimas in Gebäuden.”
— Lars Öhrström
In einem neu gestarteten Projekt wird seine Forschungsgruppe zusammen mit Kollegen an der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften (SLU) MOF:s entwickeln, um Wasser von umweltschädlichen hochfluorierten Substanzen (PFAS) zu reinigen.
Die Forscher in Chalmers tragen auch dazu bei, das Wissen über MOF:s in einem breiteren Kontext zu verbreiten. Im Auftrag der American Chemical Society ACS haben Lars Öhrström und Francoise Amombo Noa ein Lehrbuch geschrieben, das sich an Masterstudenten und Doktoranden richtet und letztes Jahr veröffentlicht wurde. Eine weitere Gruppe, die sehr von diesem Wissen profitieren könnte, sind Forscher, die eher in Bereichen arbeiten, in denen Sie ein großes Potenzial für diese Gerüste sehen, wie z. B. im Bauwesen und in der Biotechnologie.
Bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden können, müssen sich die Forscher mit ihrer manchmal geringeren thermischen und chemischen Stabilität befassen. Um dieses Problem anzugehen, hat die Gruppe in Chalmers in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Göteborg, der Universität Uppsala, der Universität Süddänemark und der Firma Rigaku in Deutschland untersucht, wie sich das Design der Netzwerke auf die Eigenschaften auswirkt, und MOFs entdeckt, bei denen die Metallionennetzwerke die Form von Schichten haben. Sie stellten ihre Ergebnisse in einem Artikel vor, der im vergangenen Sommer in der Fachzeitschrift Chem veröffentlicht wurde.
“Wir schlagen eine neue Strategie für stabilere Gerüste vor und hoffen, dass die Studie zu einem dringend benötigten Fortschritt in der Entwicklung dieses Bereichs beitragen wird”, so Francoise Amombo Noa.
