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Poren schließen und an Volumen verlieren sich also plastisch verformen Oder sie könnten chemische Stoffe voneinander trennen wie ein Schwamm indem sie sie in ihre Poren aufnehmen und bei Druck wieder abgeben Das wäre wesentlich weniger energieaufwändig als das übliche Verfahren der Destillation erklärt Prof Dr Rochus Schmid Leiter der Computational Materials Chemistry Group an der RUB Allerdings sind bisher nur wenige solcher flexiblen MOFs bekannt MOFs unter Druck Um den zugrundeliegenden Mechanismen innerhalb solcher Materialien auf den Grund zu gehen hat das Münchner Team ein bereits gut bekanntes MOF experimentell genauer untersucht Dazu setzen die Forscherinnen und Forscher es einem gleichmäßigen Druck von allen Seiten aus und beobachteten währenddessen mittels Röntgenstrukturanalyse was im Inneren vor sich geht Wir wollten wissen wie sich das Material unter Druck verhält und welche chemischen Faktoren die Triebkraft der Phasenübergänge zwischen dem offenporigen und dem geschlossenporigen Zustand bilden so Gregor Kieslich Leiter der Arbeitsgruppe Crystal Chemistry of Functional Materials der TUM Es zeigte sich im Experiment dass die geschlossenporige Form nicht stabil ist unter Druck verliert das System seine kristalline Ordnung kurz gesagt Es geht kaputt Nicht so aber eine Variante derselben Grundstruktur Befestigte das Team flexible Seitenketten aus Kohlenstoffatomen an den organischen Verbindungsstücken des MOF die in die Poren hineinragen ließ sich das Material intakt zusammendrücken und nahm bei nachlassendem Druck seine ursprüngliche Form wieder an Die Ärmchen aus Kohlenstoff machten aus dem nicht flexiblen ein flexibles MOF Die Phasenumwandlung Die Gründe dafür untersuchte das Bochumer Team computerchemisch mittels Molekulardynamik-Simulationen Wir konnten zeigen dass das Geheimnis in den Freiheitsgraden der Seitenketten liegt der sogenannten Entropie sagt Rochus Schmid Jedes System in der Natur strebt größtmögliche Entropie an vereinfacht gesagt die größtmögliche Zahl an Freiheitsgraden die Energie des Systems zu verteilen Die Vielzahl möglicher Anordnungen der Kohlenstoffärmchen in den Poren sorgt dafür dass die offenporige Form des MOF entropisch stabilisiert wird so Schmid weiter Damit wird eine Phasenumwandlung von der offenin die geschlossenporige Form und wieder zurück ermöglicht während MOFs ohne Ärmchen beim Zusammendrücken kaputtgehen Um ein so großes System aus sehr vielen Atomen berechnen und die vielen möglichen Konfigurationen der Ärmchen in den Poren absuchen zu können entwickelte das Team eigens ein genaues aber numerisch effizientes theoretisches Modell für die Simulation Das zentrale Ergebnis der Studie ist die Identifikation einer weiteren chemischen Möglichkeit durch das thermodynamische Verhalten der von uns eingeführten Seitengruppen das makroskopische Antwortverhalten eines intelligenten Materials zu steuern und zu verändern sagt Gregor Kieslich Unsere Ergebnisse eröffnen damit neue Wege strukturelle Phasenumwandlungen in porösen MOFs gezielt zu erzeugen Originalveröffentlichung Pia Vervoorts Julian Keupp Andreas Schneemann Claire L Hobday Dominik Daisenberger Roland A Fischer Rochus Schmid Gregor Kieslich Configurational entropy driven highpressure behavior of a flexible metalorganic framework in Angewandte Chemie 2020 DOI 10 1002 ange 202011004 Förderung Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschungsgruppe 2433 Switchable MOFs sowie durch einen Startup-Grant im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1928 Coordination Networks Building Blocks for Functional Systems den Fonds der Chemischen Industrie und die University of Edinburgh Quelle Universität Bochum www labo de 1-2 2021 41