Metall-organisches Gitter mit ungewöhnlich großen Poren kann Gase und
Ferrocenmoleküle aufnehmen.
Loch an Loch und hält
doch: Ob als Speicher für Gasmoleküle, zur Stofftrennung, als Sensoren,
Katalysatoren und Nanoreaktoren oder Materialien für die Opto-Elektronik
- poröse kristalline Feststoffe mit einer regelmäßigen Anordnung
definierter Poren sind mittlerweile unentbehrlich für Wissenschaft und
Technik. Auch metall-organische Verbindungen können poröse Strukturen
bilden und haben die Palette poröser Materialien stark erweitert, bisher
gab es sie jedoch fast nur in Versionen mit sehr kleinen Poren. In der
Zeitschrift Angewandte Chemie berichten koreanische Forscher um Jaheon
Kim nun über Herstellung und Charakterisierung eines mesoporösen
metall-organischen Gitters mit käfigartigen Poren von 3,9 und 4,7 nm
Durchmesser.
Bisher ließen sich nur wenige stabile Strukturen aus Metallatomen oder
Metallionen und organischen Liganden synthetisieren, die größere
Poren, so genannte Mesoporen (> 3 nm Durchmesser) aufweisen. Der Grund
liegt unter anderem in der speziellen Art der Bindung zwischen Metall
und Ligand, die eine so genannte Komplexbindung eingehen. Große
Hohlräume können ein solches Gitter leicht destabilisieren. Ebenso
schwierig wie die Synthese gestaltet sich die Charakterisierung
derartiger Strukturen mit atomarer Auflösung. Das koreanische Team hat
beide Herausforderungen nun gemeistert. Ihre Gitterstruktur besteht
aus Ionen des Seltene-Erden-Metalls Terbium und einem organischen
Liganden. Mit Hilfe von Röntgenkristallographischen Methoden gelang es
den Wissenschaftlern, die Kristallstruktur und die Poren exakt zu
charakterisieren.
Anhand von Stickstoff-Adsorptionsmessungen konnten sie untermauern,
dass es zwei verschiedene Porentypen gibt, etwas kleinere und etwas
größere. Werden die Proben bei 160 °C aktiviert, nimmt die spezifische
Oberfläche der porösen Kristalle weiter zu, aber ihr
Sorptionsverhalten bleibt gleich, wie auch Adsorptions-Experimente mit
Kohlendioxid zeigten.
Mit Licht bestrahlt fluoreszieren die Kristalle grün. Sie sind
thermisch sehr stabil und auch unter Vakuum ausreichend fest, um sich
mit Hilfe eines Sublimationsprozesses mit katalytisch aktiven oder für
die Opto-Elektronik interessanten Gast-Molekülen beladen zu lassen.
Die Forscher probierten das mit Ferrocen aus, einem molekularen
"Sandwich" mit zwei aromatischen Fünfringen als "Brotscheiben" und
einem Eisenatom als "Belag". Mit den Ferrocen-Gästen in den Poren
fluoresziert der Kristall nicht mehr grün. Stattdessen ist eine
Licht-Emission der Ferrocene zu beobachten. Die Forscher vermuten,
dass das Kristallgitter die Photonen wie eine Antenne absorbiert und
diese in Form von "Energiepaketen" an die Ferrocene weiterreicht. Die
Ferrocen-Moleküle strahlen ihrerseits diese Energie wieder in Form von
Licht ab. Die Emission ist dabei stärker als bei direkter Bestrahlung
des Ferrocens. Systeme dieses Bauprinzips können interessant sein für
zukünftige opto-elektronische Bauteile, wie etwa neuartige
Leuchtdioden.
