Hydrothermal zu funktionellen organischen Gerüststrukturen

Wie lassen sich Hochleistungsmaterialien, die der globalen Energieproblematik begegnen mit umweltfreundlichen Herstellungsmethoden erzeugen? Das START-Projekt Hydrothermal zu funktionellen organischen Gerüststrukturen von Miriam Unterlass will diese Fragestellung mithilfe einer natürlichen Prozessen in der Erdkruste nachempfundenen Methode begegnen: der hydrothermalen Polymerisation. Diese Methode erlaubt es hochgeordnete große Moleküle, so genannte Polymere, in lediglich heißem Wasser zu erzeugen. Das Verfahren ähnelt einem Kochvorgang im Druckkochtopf, in dem die Ausgangsmoleküle in heißem Wasser eingesperrt sind. Durch den Kochvorgang bilden sich hochgeordnete Strukturen. Im Rahmen des START- Projektes soll die hydrothermale Polymerisation zum Erzeugen neuartiger Gerüststrukturen, z.B. bienenwabenartiger Netzwerke, verwendet werden. Die angestrebten Gerüststrukturen weisen geordnete Kanäle gepaart mit extrem hoher thermischer und chemischer Stabilität auf und besitzen zudem Funktionalität die den Einsatz im Bereich der alternativen Energien eingesetzt zu werden. So sollen Gerüststrukturen erzeugt werden, die zum Einsatz in Lithium-Ionen Akkus, Hochtemperatur-Brennstoffzellen und Solarzellen geeignet sind. 1

Das HYDROCOF-Projekt zielte darauf ab, neue Wege zur Herstellung moderner poröser Materialien zu entwickeln, sogenannter kovalent-organischer Gerüste (COFs), und das unter Verwendung von heißem flüssigem Wasser und autogenem Druck, d. h. durch hydrothermale Synthese (HTS), anstelle von schädlichen Lösungsmitteln und Katalysatoren. Kovalent-organischer Gerüste (COFs) sind starke stabile Netzwerke aus leichten Bausteinen mit Poren in ihrer gesamten Struktur. In diesem Projekt lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung von COFs, die ringförmige heterozyklische chemische Gruppen enthalten, welche den Materialien einzigartige Eigenschaften verleihen und sie für die Abscheidung von Kohlendioxid, die Leitung von Ladungsträgern und die chemische Sensorik einsetzbar machen. Während des Projekts wurde die Forschung auf neue Bereiche ausgedehnt, darunter organische Farbstoffe und Hybridmaterialien, die organische und anorganische Komponenten kombinieren. Ein bemerkenswerter Erfolg war die erste einstufige hydrothermale Synthese (HTS) eines Hybridmaterials, das Polyimide - eine Klasse von Hochleistungsmaterialien - mit einer Siliziumdioxidmatrix kombiniert. Der gleiche Ansatz wurde auch zur Herstellung von Siliziumdioxid-Materialien verwendet, in die Fluoreszenzfarbstoffe eingebettet sind, welche hilfreiche Photokatalysatoren sind. Die Methode wurde auf andere Metalloxide - wie Titan-, Vanadium- und Manganoxide - ausgedehnt, was zu Materialien mit einzigartigen Strukturen führte. Wenn Pigmente wie Perinone in die Hauptstruktur des Hybrids eingebaut wurden, zeigten sie vielversprechende Eigenschaften als Elektroden in Batterien. Das Team entwickelte auch die HTS der sogenannten Chinoxalin- und Imidazolgerüste. Diese Verbindungen zeigten sowohl in Lösung als auch in fester Form hervorragende Lichtemissionseigenschaften. Einige von ihnen wurden zum Einfärben spezifischer Teile lebender Zellen - wie des endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparats, der Lysosomen und der Zellmembranen - verwendet, was Potenzial für die biomedizinische Bildgebung zeigt. Die Nachhaltigkeit dieser Synthesemethoden wurde durch die Berechnung grüner Metriken und den Vergleich mit einer großen Anzahl konventioneller Synthesen, über die in der wissenschaftlichen Literatur berichtet wurde, bestätigt. Insgesamt zeichnen sich die entwickelten HTS-Verfahren durch ihre Umweltfreundlichkeit aus und benötigen keine giftigen Lösungsmittel oder Katalysatoren für ihre Durchführung. Zur Beschleunigung von Erkenntnissen, begann HYDROCOF mit der Entwicklung einer automatisierten hydrothermalen Syntheseplattform. Dieses System umfasst einen speziell angefertigten Autosampler, einen Durchflussreaktor und integrierte Analysetools, die mit einer Computerschnittstelle verbunden sind. Das System kann Experimente durchführen, die Ergebnisse analysieren und die Bedingungen automatisch anpassen, was eine effiziente Erforschung der chemischen Möglichkeiten gestatten und die Tür zur schnelleren Entdeckung neuer Materialien öffnet. Durch die Kombination von nachhaltiger Chemie mit fortschrittlichem Materialdesign hat HYDROCOF die Palette zugänglicher komplexer Architekturen, Hybridmaterialien und fluoreszierender Verbindungen erweitert. Diese Innovationen könnten Lösungen für den heutigen Bedarf an Technologien, verbesserter Umweltüberwachung und besseren biomedizinischen Werkzeugen bieten und zeigen, wie bioinspirierte Methoden Weiterentwicklungen in vielfältigen Bereichen vorantreiben können.