Materialforschung

Glaswerkstoffe aus organischen und anorganischen Komponenten

Einem Forschungsteam ist es gelungen, eine neue Klasse hybrider Glaswerkstoffe herzustellen, die organische und anorganische Komponenten vereint.

Dr. Courtney Calahoo von der Universität Jena zeigt organisches Glas (links) und anorganisches Glas (rechts) – zwei Ausgangsmaterialien für das neue Kompositglas. © Jens Meyer/Uni Jena

Verbundstoffe aus organischen und anorganischen Materialien sind in der Natur häufig zu finden. Beispielsweise bestehen Knochen aus dem organischen Strukturprotein Kollagen und dem anorganischen Mineral Apatit. Diese Kombination macht Knochen biegsam und fest zugleich, was durch nur einen Materialtyp allein nicht möglich wäre. Bei der Herstellung von Hybridmaterialien mit besonderen Eigenschaften ist die Natur der technologischen Materialentwicklung aber noch weit überlegen; ähnlich funktionale Hybridmaterialien künstlich herzustellen, ist noch immer eine große Herausforderung.

Forschenden der Universitäten Jena und Cambridge ist es nun gelungen, eine neue Klasse hybrider Glaswerkstoffe herzustellen, die ebenfalls organische und anorganische Komponenten vereint, wodurch diese Materialien besondere mechanische Eigenschaften haben können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür Materialkombinationen, in denen metallorganische und anorganische Gläser chemisch verbunden sind. Seine Arbeit stellt das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Communications“ vor.

Metallorganisches Netz als Grundgerüst
Werkstoffe aus metallorganischen Netzwerken – sogenannte MOF-Materialien – erfahren seit einigen Jahren ein stark steigendes Forschungsinteresse. Sie können beispielsweise als Trennmembranen oder Speicher für Gase und Flüssigkeiten, als Träger für Katalysatoren oder für elektrische Energiespeicher eingesetzt werden. Der Vorteil der MOF-Materialien liegt darin, dass ihre Gitterstruktur bis in den Größenbereich einiger Nanometer hinein genau eingestellt werden kann. Dadurch kann zum Beispiel eine Porosität erreicht werden, die sowohl bezüglich der Größe der Poren und ihrer Durchströmbarkeit als auch hinsichtlich der an den Porenoberflächen vorherrschenden chemischen Eigenschaften an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann.

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„Das chemische Design von MOF-Materialien folgt einem Baukastenprinzip, nach dem anorganische Teilchen über organische Moleküle miteinander zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden werden“, erläutert Louis Longley von der Universität Cambridge. Daraus ergibt sich eine große Vielfalt möglicher Strukturen, so der britische Forscher. Einige dieser Strukturen könnten durch Temperaturbehandlung in einen glasigen Zustand überführt werden. „Während klassische MOF-Materialien typischerweise in Pulverform vorliegen, ermöglicht der Glaszustand vielfältige Verarbeitungsformen des Materials.“

Kontaktbereich zum metallorganischen Netzwerk:
Schlüssel zu neuen Eigenschaften

„Indem wir MOF-abgeleitete Gläser mit klassischen, anorganischen Glaswerkstoffen kombinieren, können wir das Beste beider Welten miteinander verbinden“, sagt Courtney Calahoo vom Lehrstuhl für Glaschemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Sie führt aus, dass solche Kompositgläser deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen können als bisherige Gläser, da sie es möglich machen, die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen mit der hohen Härte und Steifigkeit anorganischer Gläser zu verbinden. Entscheidend dafür, dass die beteiligten Materialien nicht einfach nur miteinander gemischt werden, ist die Entstehung eines Kontaktbereichs, innerhalb dessen sich chemische Bindungen zwischen dem metallorganischen Netzwerk und dem herkömmlichen Glas ausbilden können. „Nur auf diese Weise können wirklich neue Eigenschaften erhalten werden, zum Beispiel in der elektrischen Leitfähigkeit oder der mechanischen Widerstandsfähigkeit“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek von der Universität Jena.

Originalpublikation:
L. Longley, C. Calahoo, R. Limbach, Y. Xia, J. M. Tuffnell, A. F. Sapnik, M. F. Thorne, D. S. Keeble, D. A. Keen, L. Wondraczek, T. D. Bennett: Metal-organic framework and inorganic glass composites. Nature Communications 11 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-19598-9

Quelle: Universität Jena 

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