Close-up der organischen Gerüststrukturen © Science Communication Lab für DESY

„Im Labor nutzen wir dazu einen kleinen Plastikzylinder, etwa so groß wie ein Filmdöschen“, erklärt BAM-Forscherin Franziska Emmerling. „In diesen Zylinder tun wir etwas Pulver, ein Tröpfchen Lösemittel und zwei Stahlkugeln, etwa so groß wie Pfefferkörner.“

Diese Kugelmühle wird von einer Spezialmechanik mehr als 30 Mal pro Sekunde hin- und hergeschüttelt – der Inhalt wird dabei regelrecht gemahlen. Zunächst werden die Pulverkörnchen kleiner, gewinnen an Oberfläche und können nach einigen Minuten unter dem Einfluss von Reibungswärme, Druck und Bewegungsenergie chemisch reagieren: Die Partikel verbinden sich zu größeren Gebilden – filtertauglichen Gerüststrukturen.

Diese Art der Herstellung gehört zur Mechanochemie, einem wenig bekannten Zweig der chemischen Verfahrenstechnik. „Eigentlich ist das eine alte Geschichte, vermutlich spielte die Mechanochemie bereits im Altertum eine Rolle“, erzählt DESY-Physiker Martin Etter. „Beim Zerreiben pflanzlicher Stoffe in einem Mörser dürften erste Arzneiwirkstoffe freigesetzt oder eventuell sogar durch chemische Reaktion entstanden sein.“

Heute kommen mechanochemische Verfahren in der Industrie beispielsweise bei der Synthese von Medikamenten, Katalysatoren und Funktionsmaterialien zum Einsatz. Da sie meist ohne größere Mengen giftiger Lösungsmittel und mit vergleichsweise wenig Energie auskommen, gelten sie als nachhaltig und umweltverträglich.

Forschung mit Röntgenstrahlen

Wie sich die Filtergerüste am wirkungsvollsten in der Kugelmühle herstellen lassen, untersuchte das Team in Hamburg mit dem intensiven Röntgenlicht von PETRA III. Während die Mühle arbeitete, durchleuchtete der Strahl alle zehn Sekunden ihren Inhalt und entschlüsselte die Kristallstrukturen.

„Die beiden Ausgangsstoffe lieferten ein anderes Muster auf unserem Detektor als die Chemikalie, die durch die chemische Reaktion entstand“, erklärt Etter. „Wir konnten quasi live zugucken, wie die Muster der beiden Startchemikalien immer schwächer wurden und zugleich das Muster der neuen Chemikalie erschien – das der Gerüststrukturen.“

Um die optimalen Prozessparameter zu bestimmen, variierte das Team unter anderem die Schüttelfrequenz der Kugelmühle sowie die Menge des Lösungsmittels. Das beste Ergebnis erzielte man bei 36 Hertz, einer Pulvermenge von 266 Milligramm und einer Lösungsmittelzugabe von 250 Mikrolitern – also nur wenigen Tropfen. Im Unterschied zu anderen Gerüststrukturen, die bereits als Filter eingesetzt werden, enthält das neue Material keine Schwermetalle und wäre damit umweltverträglicher.

Potenziale für die Praxis

Noch ist unklar, wie sich die potenziellen PFAS-Filter im großen Maßstab herstellen lassen. Doch Martin Etter hat bereits Ideen für künftige Einsatzmöglichkeiten: „Etwa in Kläranlagen von Unternehmen, in deren Produktion PFAS-Chemikalien anfallen. Und vielleicht können sie irgendwann sogar in gewöhnliche Wasserhähne integriert werden, um dadurch unser Trinkwasser zu filtern.“

Die Forschung zur Mechanochemie wird bei DESY weitergehen – mit Blick auf PETRA IV, die geplante Nachfolgerin von PETRA III. Diese neue Röntgenlichtquelle soll einen deutlich feineren, stärker gebündelten Strahl liefern, was Messungen erheblich beschleunigen würde.

„Dann werden wir nicht alle zehn Sekunden ein Bild aufnehmen können, sondern vielleicht zehn Bilder pro Sekunde“, schwärmt Etter. „Und damit könnten wir zum Beispiel chemische Prozesse beobachten, die sehr schnell ablaufen und bei denen kurzlebige Zwischenstrukturen entstehen.“

Was sind COFs?

COFs steht für Covalent Organic Frameworks, auf Deutsch kovalente organische Gerüststrukturen.

Kurz erklärt:

Aufbau: COFs bestehen aus organischen Molekülen, die sich über kovalente Bindungen zu regelmäßigen, dreidimensionalen oder zweidimensionalen Netzwerken verbinden.

Eigenschaften: Sie haben nanometerkleine Poren und eine sehr große Oberfläche, wodurch sie Moleküle aufnehmen oder „einfangen“ können.

Anwendung: Durch ihre Porosität und chemische Stabilität eignen sie sich z. B. als Filtermaterialien, Katalysatoren, Speicher für Gase oder in der Sensorik.

Im Fall der BAM/DESY-Forschung werden die COFs als Filtermaterial eingesetzt, um PFAS-Moleküle aus Wasser oder Abwässern zu binden.

Originalpublikation:
Hoque, M. A., Sommerfeld, T., Lisec, J., Das, P., Prinz, C., Heinekamp, C., Stolar, T., Etter, M., Rosenberger, D., George, J., Bhattacharya, B., & Emmerling, F. (2025). Mechanochemically synthesized covalent organic framework effectively captures PFAS contaminants. Small, e09275. DOI:10.1002/smll.202509275

Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY