Feste FlŁssigkeiten

(Nanowerk News) Chemiker der Ruhr-Universit√§t Bochum und der Universit√§t Cambridge haben neuartige Metall-Organische Netzwerke entwickelt. √Ąhnlich einer Fl√ľssigkeit weisen sie eine sehr grosse thermische Expansion auf, sie sind dennoch Feststoffe. Der thermische Expansionskoeffizient gibt an, wie stark sich ein Material bei Temperatur√§nderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Das verbl√ľffende Ph√§nomen beruht auf dem Wechselspiel der starken und schwachen Kr√§fte zwischen den geordneten und den ungeordneten molekularen Bausteinen des neuen Materials. Die Forscher berichten dar√ľber in der Zeitschrift Advanced Functional Materials ("Massive Anisotropic Thermal Expansion and Thermo-Responsive Breathing in Metal‚ÄďOrganic Frameworks Modulated by Linker Functionalization").
Ausgangsfrage
Fl√ľssigkeiten reagieren sensibel auf W√§rme oder K√§lte. Je nach Art der Temperatur√§nderung steigt oder f√§llt der gef√§rbte Alkoholfaden im Thermometer. Hundertmal weniger empfindlich sind dagegen feste Stoffe, Beton oder Stahl zum Beispiel. Dennoch kommt kein Bauwerk ohne Dehnungsfugen aus. Besonders ungew√∂hnlich verh√§lt sich Wasser, denn es dehnt sich beim Gefrieren aus. Eis schwimmt, Seen frieren von der Oberfl√§che her zu, und bei 4 ¬įC hat Wasser seine gr√∂sste Dichte. Kann es feste Stoffe geben, die sich wie Fl√ľssiges verhalten, wenn ihnen heiss oder kalt wird? Und wenn das m√∂glich w√§re, was k√∂nnte man damit anfangen?
Extreme thermische Expansion
Die Forscher aus Bochum und Cambridge haben einen Trick angewandt, um die thermische Expansionsf√§higkeit von sogenannten Metal-Organischen Netzwerken gezielt zu erh√∂hen. An den geordneten, organischen Baueinheiten des festen Rahmenwerkes wurden zus√§tzliche Molek√ľlgruppen angebracht. Diese f√ľllen die nanometer-grossen Porenr√§ume des Netzwerks teilweise aus. Die Gruppen verhalten sie sich wie eine ungeordnete Fl√ľssigkeit, aber sie k√∂nnen wegen der Bindung an die Porenw√§nde den Raum nicht verlassen. So √ľbertr√§gt sich ihre W√§rmebewegung auf das Netzwerk. Beim Erw√§rmen bl√§ht sich das feste Material schlagartig um ca. 20% auf. Jedoch bleibt seine kristalline Eigenschaft erhalten. Der Vorgang ist vollst√§ndig umkehrbar. Temperaturabh√§ngige R√∂ntgenbeugung und kalorimetrische Messungen ergaben extrem grosse thermische Expansionskoeffizienten, wie man sie bisher nur von Fl√ľssigkeiten kannte, nicht aber von Feststoffen. Die Art der Seitengruppen hat grossen Einfluss auf den Effekt. So spielen L√§nge und chemischer Charakter die entscheidende Rolle. Durch die gezielte Synthese von "Festen L√∂sungen", die verschiedene Seitenketten in zuf√§lliger Verteilung und beliebigen Verh√§ltnissen im Netzwerk vereinen, k√∂nnen thermischen Eigenschaften der Materialien noch genauer kontrolliert werden. Die Erkenntnisse legen Grundlagen f√ľr Anwendungen in der W√§rmespeicherung und -√ľbertragung sowie der Sensorik.
Flexible Netzwerke
Metall-Organische Netzwerke (kurz MOFs, aus dem Englischen: Metal-Organic Frameworks) sind hochgeordnete (kristalline) Festk√∂rper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur. Sie sind aufgebaut aus Metallionen (Knotenpunkte) und verkn√ľpfenden organischen Molek√ľlen (Verbinder; engl. Linker). Die Materialien zeichnen sich durch unvergleichlich hohe Porenvolumina und innere Oberfl√§chen aus. Sie besitzen grosses Potenzial f√ľr Anwendungen in der Brennstoffspeicherung, bei der Kohlenstoffdioxid-Abtrennung sowie bei der Katalyse. MOFs k√∂nnen flexibel sein und auf √§ussere Einfl√ľsse mit strukturellen √Ąnderungen reagieren. Bei Aufnahme von Gastmolek√ľlen (z. B. L√∂sungsmittel oder Gase) "bl√§hen" die flexiblen MOFs ihre Struktur auf; das erh√∂ht das Speicherverm√∂gen.
Projektförderung
Die F√∂rdermittel f√ľr die Arbeiten stammen von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (SPP 1362 "Metal-Organic Frameworks", EXC 1069 Exzellenzcluster "Ruhr Explores Solvation"), dem European Research Council, der Ruhr-University Research School und der Fonds der Chemischen Industrie.
Source: Ruhr-Universität Bochum
Subscribe to a free copy of one of our daily
Nanowerk Newsletter Email Digests
with a compilation of all of the day's news.
 
These articles might interest you as well: