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TU Berlin

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Forschung

Maßgeschneiderte Werkstoffe für die Anwendung von morgen

Montag, 18. Juni 2012

Materialien im Nanobereich werden Bausteinchen für Bausteinchen konzipiert

Labor in der Arbeitsgruppe von Arne Thomas
Lupe

Von der Plastiktüte bis zum Computerbildschirm, vom Katalysator bis zu Batterien – Ziel der Materialchemie ist es, die einzelnen Komponenten solcher Anwendungen so zu optimieren – oder ganz neu zu erzeugen –, dass sie noch effizienter, ressourcenschonender, leichter, spezieller oder auch billiger werden.

„Veränderungen in der Materialzusammensetzung im Nanobereich, also dem Millionstel eines Millimeters, können enorme Auswirkungen auf die Funktionalität haben“, weiß Professor Arne Thomas vom Institut für Funktionsmaterialien der Fakultät II der TU Berlin. Ein Schwerpunkt seiner Arbeitsgruppe, die Teil des Exzellenzclusters „Unifying Concepts in Catalysis“ (UniCat) an der TU Berlin ist, liegt daher in der gezielten Nano-Strukturierung von Materialien. Ein wichtiger Bereich ist die Katalysatorforschung.
Katalysatoren sind Substanzen, die – zum Beispiel aufgrund der Struktur ihrer Oberfläche – eine chemische Reaktion zwischen zwei anderen Substanzen ermöglichen, ohne selber während dieser Reaktion verbraucht zu werden. Ihre wirtschaftliche Bedeutung in der chemischen Industrie ist enorm. „Gelingt es uns, die Oberfläche solcher Katalysatoren auf der Nanoskala deutlich zu erhöhen, erhöht sich prinzipiell auch der Reaktionsumsatz erheblich. Dazu versuchen wir die Synthese dieser Materialien Schritt für Schritt so zu kontrollieren, dass keine kompakten Strukturen entstehen, sondern eher poröse Netzwerke, vergleichbar mit einem Schwamm“, so Arne Thomas. Materialien mit einer funktionellen Oberfläche von der Größe eines Fußballfeldes könnten so in einer Hand gehalten werden.

„Aufgrund der vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten arbeiten wir mit organischen, anorganischen und einer Mischung von beiden Materialien – je angestrebtem Zweck“, erläutert Arne Thomas den interdisziplinären Ansatz seines 16-köpfigen Teams. Mögliche Anwendungen für solche Materialien sind neben der Katalyse auch die Gasspeicherung und -trennung oder Isolationsmaterialien. Die Arbeitsgruppe entwickelt zum Beispiel verschiedene poröse Materialien für die sogenannte Fotokatalyse, die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie. Dabei wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Letzterer kann von bestimmten porösen Materialien gespeichert werden. Andere Materialien werden als Elektroden in Brennstoffzellen genutzt, um den Wasserstoff in elektrische Energie umzuwandeln. 2011 wurde Arne Thomas vom Europäischen Forschungsrat mit einem ERC Starting Grant von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet. „Damit wollen wir die Forschung an hochporösen, organischen Netzwerken vorantreiben.“ Die Idee ist, zum Beispiel spezifische, (metall-)organische Katalysatoren, wie sie die Pharmaindustrie nutzt, in einem Festkörper zu immobilisieren. So können sie einfach zurückgewonnen und wiederverwendet werden. „Feste organische Katalysatoren mit porösen Oberflächen ermöglichen die Ausstattung der Porenwände mit spezifischen, funktionellen Gruppen. So sollen basische oder saure, polare oder unpolare, metallkoordinierende oder asymmetrische organische Netzwerke ,maßgeschneidert' werden“, erklärt der Chemiker Thomas. Die „Kunst“ besteht darin, Materialien, die bestrebt sind, eine kompakte Form einzunehmen, Bausteinchen für Bausteinchen so zusammenzusetzen, dass sie die gewünschte poröse Netzwerkstruktur, aber gleichzeitig auch eine hohe chemische und thermische Stabilität aufweisen. Diese organischen Netzwerke sind leicht und relativ elastisch. „Mögliche Einsatzmöglichkeiten wären zum Beispiel organische Solarzellen oder Leuchtdioden“, so der Wissenschaftler.

Katharina Jung / Quelle: Hochschulzeitung "TU intern", 6/2012

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