Neues Material: Flüssig und porös zugleich

Belfast (Großbritannien)/Kiel - Schwämme, Aktivkohle oder Zeolith-Kristalle: Alle diese festen Materalien sind porös und können in ihren Poren Flüssigkeiten und Gase aufnehmen. Nun gelang es einer internationalen Forschergruppe erstmals, eine dauerhaft poröse Flüssigkeit herzustellen. Diese neue Materialklasse könnte poröse Festkörper in zahlreichen chemischen Prozessen ersetzen und die Effizienz von Reaktionen steigern. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, wäre mit porösen Flüssigkeiten auch eine technisch einfachere Speicherung des Treibhausgases Kohlendioxid möglich.

„Wir konnten Löcher in einer Flüssigkeit erschaffen, welche darauf ungewöhnlich große Gasmengen aufnehmen konnte“, sagt Stuart James von der Queen´s University in Belfast. Zusammen mit Kollegen aus Argentinien, Frankreich und Kiel erschufen sie in einem mehrstufigen Syntheseprozess Käfig-Moleküle mit einem Durchmesser von etwa einem halben Nanometer. Die Moleküle bestanden aus Stickstoff-haltigen organischen Substanzen, die sich bevorzugt zu einer festen, dreidimensionalen Struktur anordneten.

Um eine poröse Flüssigkeit zu erhalten, mischten James und Kollegen diese Käfig-Moleküle in ein organisches Lösungsmittel, 15-crown-5 genannt. Um die Löslichkeit zu erhöhen, dockten sie vorher ringförmige Oligoether-Gruppen an die Käfig-Moleküle an. Diese hatten den Vorteil, dass sie wegen ihrer Form nicht die in die Käfige selbst eindringen und so die Poren der Flüssigkeit verstopften konnten. Auf diesem Weg gelang es, die erste poröse Flüssigkeit herzustellen, deren Poren dauerhaft geöffnet blieben.

In weiteren Versuchen analysierten die Wissenschaftler, wieviel Methangas diese gelbliche und etwas zähe Flüssigkeit aufnehmen konnte. Knapp ein Milligramm Methan ließ sich dank der Käfig-Moleküle in einem Gramms der porösen Flüssigkeit speichern. Stuart James weiß, dass feste, poröse Materialien wie etwa Zeolithe noch mehr Gasmengen in ihren Poren aufnehmen können. Aber er ist sich sicher, dass auf der Grundlage seiner Versuche die Speicherfähigkeit von porösen Flüssigkeiten gesteigert werden könnte.

Da sich Flüssigkeiten in chemischen Prozesse sehr viel einfacher austauschen und kontrollieren lassen als Festkörper, könnte mit ihnen die Effizienz von Speicher- oder Katalyse-Reaktionen erhöht werden. „Diese ersten porösen Flüssigkeiten sollten als Prototypen einer neuen Materialklasse angesehen werden“, schreibt Michael Mastalerz von der Universität Heidelberg in einem begleitenden Kommentar. Er ist davon überzeugt, dass mit einer Steigerung der Speichereigenschaften diese porösen Flüssigkeiten ohne Zweifel zahlreiche technologische Anwendungen finden werden.