Gläser aus nicht-schmelzbaren Verbindungen Chemie zum Dahinschmelzen

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Ob gigantische Bürofenster oder filigrane Tierfiguren – Glas ist ein vielseitiger Werkstoff. Eine derartige Formbarkeit aus der Schmelze heraus ist aber nicht jedem Material gegeben. So zersetzen sich hochfunktionale metallorganische Gerüststrukturen (MOFs), statt zu schmelzen. Ein Team der Uni Jena hat nun einen Weg gefunden, diese doch zum Schmelzen zu bringen.

Jena – Gläser sind aus dem täglichen Leben nicht wegzudenken. Einer der wichtigsten Gründe dafür ist, dass Glasgegenstände aus einer Schmelze nahezu universell und kostengünstig in den verschiedensten Formen und Größen hergestellt werden können. Die Verarbeitung in der (zäh)flüssigen Phase bietet eine Vielfalt, die mit anderen Werkstoffen kaum erreichbar ist. Dies setzt aber voraus, dass das Material, aus dem das Glas in seiner chemischen Zusammensetzung besteht, überhaupt schmelzbar ist.

Manche Substanzen lassen sich daher nicht einfach so wie ein glas in Form gießen, obwohl sie ansonsten vielleicht vorteilhafte Eigenschaften haben. Dies ist der Fall bei so genannten metallorganischen Gerüstverbindungen, kurz MOFs (von engl. Metal Organic Frameworks). Ihnen wird ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Energie- und Umwelttechnik zugeschrieben, aber auch in der Sensorik sowie in den Bio- und Lebenswissenschaften. So eignen sie sich etwa als Ausgangsmaterial für Filtermembranen zur Trennung von Gasen in technischen Verbrennungsprozessen oder für die Wasseraufbereitung.

Inverses Schmelzen

Cool geschmolzen: Umgekehrter Phasenübergang in 2D-Material

Porosität steht dem Schmelzen im Weg

Grundlage für die Fülle möglicher Anwendungen ist v. a. eine herausragende Eigenschaft der MOFs: ihre hohe und weitestgehend kontrollierbare Porosität. Denn die Vertreter dieser Stoffklasse bestehen aus anorganischen Teilchen, die durch organische Moleküle zu einem Netzwerk aus Poren verbunden sind. Eine Herausforderung besteht aber darin, die MOFs tatsächlich zu Bauteilen zu formen, da die Gerüstverbindungen meist als Pulver vorliegen.

Um aus MOFs Bauteile für industrielle Anwendungen zu erzeugen, können sie beispielsweise zu so genannten Hybridgläsern verarbeitet werden. Dazu muss man sie allerdings einschmelzen – ein Vorgang, der in diesem Fall komplizierter ist als bei der Glassischen Glasherstellung. Denn bisher lässt sich nur eine Handvoll Vertreter dieser Stoffklasse auch tatsächlich einschmelzen. „Bei den meisten bekannten MOF-Materialien ist gerade die hohe Porosität einer der Gründe, dass sie – bevor sie beim Erwärmen den Schmelzpunkt erreichen und sich verflüssigen – thermisch zersetzt werden, das heißt, sie verbrennen“, erklärt Vahid Nozari, Doktorand am Lehrstuhl für Glaschemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Ausgerechnet die Eigenschaft, die diese Materialien so interessant macht, verhindert also eine mögliche Verarbeitung über den Glasweg.

Der Schmelztrick

Wie also macht man ein nicht schmelzbares Material schmelzbar, um es dann im flüssigen Zustand formen und verarbeiten zu können? Auf diese Frage hat das Team um den Jenaer Professor Lothar Wondraczek nun eine Antwort gefunden. „Wir haben die Poren mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt, die die innere Oberfläche so stabilisiert, dass sich der Stoff schließlich schmelzen lässt, noch bevor es zu einer Zersetzung kommt“, erklärt Wondraczek. Die Jenaer Forscher haben so gezeigt, dass sich auch normalerweise nicht schmelzbare Stoffe aus der MOF-Familie der zeolithischen Imidazolatgerüste (ZIFs) tatsächlich in den flüssigen Zustand überführen lassen und schließlich in ein Glas umgewandelt werden können. „Über diesen Weg ließe sich zukünftig das gewünschte Bauteil, etwa eine Membran oder Scheibe, formen. Reste der hilfsweise verwendeten ionischen Flüssigkeit können im Anschluss wieder ausgewaschen werden“, führt der Studienleiter aus. Dies erlaubt die schmelzebasierte Herstellung von Glasbauteilen für Anwendungen in der Energie- und Umwelttechnik.

Der Schlüssel für zukünftige Anwendungen sind die Reaktionen, die zwischen der ionischen Flüssigkeit und dem MOF-Material stattfinden. Diese bestimmen die Umkehrbarkeit des Prozesses, also die Möglichkeit, die Flüssigkeit nach dem Schmelzvorgang wieder auszuwaschen. Sind die Reaktionen nicht angepasst, so wird entweder die Porenoberfläche nicht ausreichend stabilisiert oder MOF und Flüssigkeit verbinden sich sogar unumkehrbar chemisch miteinander. Hierfür müssen also mit Blick auf die gewünschte Anwendung geeignete Kombinationen von Flüssigkeiten, Matrixmaterialien und Schmelzbedingungen identifiziert werden, sodass sich auch großvolumige Objekte herstellen lassen.

Originalpublikation: V. Nozari, C. Calahoo, J. M. Tuffnell, D. A. Keen, T. D. Bennett und L. Wondraczek: Ionic liquid facilitated melting of the metal-organic framework ZIF-8, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-25970-0

* S. Hollstein, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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