Zusammenfassung:
Im Bereich der Materialwissenschaften hat Glas aufgrund seiner einzigartigen ungeordneten Atomstruktur und seines breiten Spektrums an täglichen und industriellen Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt. Die Unkontrollierbarkeit bei der Verarbeitung bei extrem hohen Temperaturen hat jedoch lange Zeit die Entwicklung neuer Funktionsgläser eingeschränkt. Ein internationales gemeinsames wissenschaftliches Forschungsteam der University of Birmingham (UK) und der TU Dortmund (TU Dortmund) in Deutschland hat bahnbrechende Fortschritte erzielt. Forscher griffen geschickt auf alte chemische Strategien zurück, die seit Tausenden von Jahren in der traditionellen Silikatglasherstellung zum Einsatz kamen, und erreichten erfolgreich eine präzise Rekonstruktion und chemische Kontrolle der inneren Atomstruktur von metallorganischem Gerüstglas (MOF) während des Schmelzprozesses, wodurch dieser Art von hochmodernem Material neue physikalische Eigenschaften und Verarbeitungsvorteile verliehen wurden.
MOF-Glas (wie ZIF-62) ist ein neues anorganisch-organisches Hybridmaterial, das Metallionen intensiv mit organischen Liganden verbindet. Es verfügt über eine einzigartige mikroporöse Struktur und zeigt ein großes Anwendungspotenzial in den Bereichen Kohlendioxidabscheidung, Wasserstoffspeicherung, Meerwasserentsalzung und fortschrittliche Membrantrennung. Allerdings muss herkömmliches MOF-Glas häufig auf hohe Temperaturen über 300 °C erhitzt werden, um es zu erweichen und zu schmelzen. Diese Temperatur liegt extrem nahe an der thermischen Zersetzungsgrenze des Materials selbst, was nicht nur die großtechnische Verarbeitung und Formung erheblich erschwert, sondern auch leicht seine wichtige Porenstruktur zerstört.
Um diesen Verarbeitungsengpass zu überwinden, wandte das wissenschaftliche Forschungsteam seine Aufmerksamkeit der alten Glasmodifikationstechnologie zu. In der traditionellen Glasindustrie fügen Arbeiter dem Quarzsand normalerweise eine kleine Menge Alkalimetallverbindungen wie Natrium oder Lithium hinzu, um den Schmelzpunkt und die Viskosität zu senken. Die Forscher übertrugen diese Logik auf das Gebiet des MOF-Glases und erzielten erfolgreich einen effizienten Eingriff in das interne atomare Verbindungsnetzwerk des Materials, indem sie während des Schmelzprozesses von ZIF-62 Spurenmengen von Natrium- oder Lithiumverbindungen einführten.
Um diesen chemischen Modifikationsprozess auf atomarer Ebene aufzudecken, nutzte das Forschungsteam die britische National High Field Solid-State Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Facility, um Hochtemperatur-Festkörper-NMR-Spektroskopie-Experimente durchzuführen, und kombinierte diese mit maschinellem Lernen, rechnerischer Modellierung auf Basis künstlicher Intelligenz, um die Wechselwirkung zwischen dem Additiv und dem Glasnetzwerk in Echtzeit zu beobachten. Die Daten zeigen, dass die hinzugefügten Natriumionen nicht nur die Mikroporen im Inneren des Materials füllen, sondern auch einige Zinkatome direkt ersetzen, wodurch das ursprüngliche dichte Gitternetzwerk lokal dissoziiert und wiederhergestellt wird. Diese Neuordnung der Mikrostruktur senkt die Erweichungstemperatur des Materials erheblich und verbessert seine Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand erheblich, während die ursprünglichen Poreneigenschaften des Materials weitestgehend erhalten bleiben.
Branchenexperten wiesen darauf hin, dass diese Forschung erfolgreich bewiesen habe, dass das Modifikationsprinzip von traditionellem Silikatglas vollständig auf moderne komplexe metallorganische Hybridmaterialien anwendbar sei. Durch die genaue Umschreibung der chemischen und atomaren Struktur von MOF-Glas im geschmolzenen Zustand haben Forscher nicht nur den Energieverbrauch bei der Herstellung und die Prozessschwelle dieser Art von Hochleistungsmaterialien gesenkt, sondern auch einen breiten wissenschaftlichen Weg für die zukünftige Entwicklung neuer technischer Gläser der nächsten Generation mit spezifischen Gasadsorptions-, Katalyse- und hochselektiven Trennfunktionen eröffnet.
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