Materialwissenschaften

Zweidimensionales Siliziumdioxid als selektiv permeable Membran?

Forschende aus Bielefeld, Bochum und Yale haben eine Schicht aus zweidimensionalem Siliziumdioxid hergestellt, das natürliche Poren enthält und Untersuchungen zu selektiver Durchlässigkeit durchgeführt.

Die Wissenschaft sucht schon seit Längerem nach solchen Materialien, denn sie könnten etwa beim Entsalzen von Meerwasser helfen oder in neuartigen Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Den Herstellungsprozess beschreibt das Team in der Zeitschrift Nano Letters. Für die Arbeiten kooperierten die Teams um Dr. Petr Dementyev von der Universität Bielefeld, Prof. Dr. Anjana Devi von der Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr. Eric Altman von der Yale University.

Natürliche Öffnungen im Kristallgitter
Wenn zweidimensionale Materialien mit hoher Präzision durchstochen werden, kann man sie nutzen, um bestimmte Ionen oder Moleküle auszusieben. Forschende haben immer wieder versucht, das aus Kohlenstoff-Atomen bestehende Material Graphen für diesen Zweck zu verwenden. Da es keine natürlichen Poren besitzt, müssen diese künstlich eingefügt werden. Aber es ist schwierig, Löcher mit definierter Größe in Graphen zu erzeugen, ohne das Material nachhaltig zu schädigen, da es leicht bricht. Denn es verliert durch die Perforation zu sehr an Stabilität. Folglich galt es eine Alternative zu finden. In der aktuellen Arbeit machte sich das Forschungsteam die Tatsache zunutze, dass das Kristallgitter von zweidimensionalem Siliziumdioxid natürlicherweise Öffnungen besitzt. Sie zeigten, dass sich mithilfe dieser Öffnungen bestimmte Gase voneinander trennen lassen.

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Zweidimensionales Siliziumdioxid hat Poren, durch die gewisse Moleküle (rechts) hindurchtreten können, andere (links) aber nicht. Es wirkt sozusagen wie ein Sieb. © RUB, AG Chemie Anorganischer Materialien

"Siliziumdioxid hat natürlicherweise eine sehr hohe Dichte an winzigen Poren, die man in künstlichen Membranen nicht erzeugen könnte", sagt Petr Dementyev von der Bielefelder Arbeitsgruppe Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen. Die Poren seien alle nahezu gleich groß. Und es seien so unglaublich viele, dass sich das Material wie ein feinmaschiges Sieb für Moleküle verhalte, beschreibt Dementyev das Material.

Herstellung mit Hochdruck
2D-Siliziumdioxid ist bereits seit 2010 bekannt. Seine Herstellung war allerdings sehr teuer und nur in kleinem Maßstab möglich. Die Forschenden aus Bochum, Bielefeld und Yale brachten Expertise aus der Materialchemie, dem Chemischen Engineering und der Chemischen Physik zusammen, um einen neuen Herstellungsprozess zu erarbeiten.

Die Forschenden bringen die 2D-Siliziumdioxid-Schicht auf einer Goldoberfläche auf. © RUB, Kramer

Sie nutzten die sog. Atomic Layer Deposition, um eine einzige Lage Siliziumdioxid auf einer Goldoberfläche abzuscheiden. Durch ein Hochdruckverfahren überführten die Forschenden die Lage in ihre zweidimensionale Form und charakterisierten sie dann spektroskopisch und mikroskopisch im Detail. Anschließend untersuchten sie den Gasfluss durch die 2D-Membran in einer Vakuumkammer.

Während verdampftes Wasser und verdampfter Alkohol die Siliziumdioxid-Schicht durchdringen konnten, wurden die Gase Stickstoff und Sauerstoff zurückgehalten. "Materialien wie dieses mit selektiver Durchlässigkeit sind in der Industrie sehr gefragt", sagt Anjana Devi. Bevor das 2D-Siliziumdioxid in der Praxis zum Einsatz kommen kann, gilt es jedoch, genau zu evaluieren, wie sich viele verschiedene Moleküle an die Materialoberfläche anlagern oder wie sie diese durchdringen können.

"Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse für die Materialwissenschaft weltweit von Bedeutung sind", resümiert Anjana Devi von der Bochumer Arbeitsgruppe für Anorganische Materialchemie. "Solche 2D-Membranen könnten an vorderster Front bei einer nachhaltigen Entwicklung helfen, zum Beispiel im Bereich der Energiekonversion oder -speicherung."

Förderung
Der Fonds der Chemischen Industrie förderte die Arbeiten.

Originalveröffentlichung:
Daniil Naberezhnyi, Lukas Mai, Nassar Doudin, Inga Ennen, Andreas Hütten, Eric I. Altman, Anjana Devi, Petr Dementyev: Molecular permeation in freestanding bilayer silica, in: Nano Letters, 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04535

Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB)

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