Programmierbare synthetische Materialien

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) regen die Fantasie an. Neben zahlreichen erstaunlichen Anwendungsmöglichkeiten könnten die künstlichen Moleküle künftig sogar Informationsspeicher für eine neue Art von Computern sein.

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Metallorganische Gerüstverbindungen (Metal-Organic-Frameworks, MOFs) bilden eine noch recht junge Klasse poröser Kristalle, die rein synthetischer Natur sind; "zumindest hat man sie bisher in der Natur noch nicht entdeckt", charakterisiert Frank Hoffmann in "Faszination Kristalle und Symmetrie" (Seite 291) die neuartigen Materialien. MOFs, so Hoffmann, bestehen aus zwei Bestandteilen: einer anorganischen Baueinheit, die aus Metallatomen oder Metall-Sauerstoff-Clustern besteht (Konnektor) und einer organischen Baueinheit (Linker), der die anorganischen Baueinheiten verbrückt. Aus diesen Bestandteilen lassen sich unendlich ausgedehnte Koordinationsnetzwerke in Gestalt starrer Gerüste bilden.

Das Konzept der MOFs geht auf die 1990er Jahre zurück. Im Allgemeinen handelt es sich bei den metallorganischen Gerüsten um hochporöse (bis zu 90 Prozent freies Volumen), kristalline und thermisch stabile Materialien mit einer großen inneren Oberfläche (bis zu 6000 m²/g), schreibt Basudev Sahoo in dem Buchkapitel "Synthesis and Characterizations of Novel Metal-Organic Frameworks (MOFs)". Die hybriden Materialien ließen sich am Reißbrett entwerfen und unter Verwendung unterschiedlicher Metallionen (z.B. Al, Zr, Cr, Fe, Ni, Cu oder Zn) und organischer Linker wie Polycarboxylate, Sulfonate, Phosphonate, Imidazolate synthetisieren. Selbst die Raumstruktur (z.B. tetraedrische, oktaedrische, kubische, rhombische Dodekaeder, etc.) könne in situ durch die Wahl der geeigneten Metallionen und Reaktionsbedingungen aufgebaut werden.

Aufgrund ihrer charakteristischen Ultraporosität, ihrer hohen Kristallinität, ihrer außergewöhnlich großen inneren Oberfläche und ihrer thermischen und chemischen Stabilität faszinieren MOFs sowohl in der Wissenschaft als auch in der industriellen Praxis. Basudev Sahoo zählt einige Anwendungen auf, die Materialentwicklern vorschweben:  

• MOFs können als Speicher für Gase wie Wasserstoff, Methan oder Acetylen verwendet werden. 
• Darüber hinaus können MOFs für die Gasabscheidung etwa von Kohlendioxid sowie für die Reinigung und Trennung chemischer Gemische in der Gas-, Dampf- oder Flüssigphase verwendet werden. 
• Auch Strukturisomere wie Xylole und Hexane, die auf andere Weise nur sehr schwer zu trennen sind, sowie Stereoisomere (z.B. Enantiomere) können mit den MOFs getrennt werden. 
• Das Absorptionsvermögen der MOFs kann durch die Abstimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der inneren Oberfläche sogar noch verbessert werden. 
• Darüber hinaus werden MOF-Materialien als chemische Sensoren erforscht, um Gase und flüchtige Analyten mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität nachzuweisen. MOF-Folien, können als chemische Sensoren etwa in der industriellen Prozesssteuerung, bei der Bestimmung der Lebensmittelqualität oder in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden.
• In letzter Zeit wurden überdies bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der lumineszierenden MOF-Chemie erzielt.
• Und nicht zuletzt können MOFs als Arzneimittelabgabesysteme eingesetzt werden, indem sie Arzneimittelmoleküle in Zielzellen tragen und dort freisetzen.

Doch mit dieser von Sahoo skizzierten Vielfalt scheinen die Anwendungsmöglichkeiten der MOFs längst noch nicht ausgereizt zu sein. Künstliche Moleküle könnten eines Tages die Informationseinheit einer neuen Art von Computern bilden oder die Basis für programmierbare Substanzen sein. Die Information wäre in der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome codiert – ähnlich wie die Abfolge der Basenpaare den Informationsgehalt der DNA bestimmt.

Metallsequenzen decodieren

Über einen ersten Schritt in diese Richtung berichteten Forscher Anfang August in der Zeitschrift "Science". Tong Li, Leiterin der Forschungsgruppe Atomic-scale Characterisation am Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum, beschreibt zusammen mit Zhe Ji und Omar Yaghi aus Berkeley, wie man mithilfe der Atomsondentomografie (Atom Probe Tomography, APT) eine komplexe räumliche Anordnung von zufällig verteilten Metallatomen bestimmen kann – und somit potenziell die Information, die in einer Atomanordnung codiert wäre, wieder auslesen könnte. 

Genauso raffiniert wie die Biologie

Um in der Anordnung der in einem MOF eingelagerten Atome Informationen zu codieren, muss die Anordnung gezielt erfolgen können, veränderbar sein und auch wieder ausgelesen werden können. Ein Auslesen der Information in MOFs gelang bislang jedoch nur bei sehr einfachen räumlichen Anordnungen – weit davon entfernt, damit komplexe Informationen zu codieren. In der aktuellen Studie zeigte das Forschungsteam, das sich mittels APT auch kompliziertere räumliche Anordnungen von Metallatomen bestimmen lassen. Mit dem Verfahren lassen sich nämlich einzelne Atome sichtbar machen. Die Gruppe arbeitete mit dem sogenannten MOF-74, in das sie einzelne Atome der Elemente Kobalt, Cadmium, Blei und Mangan zufällig einlagerte. Anschließend entschlüsselte sie deren räumliche Struktur. "Langfristig können solche Strukturen mit einprogrammierten Atomsequenzen unsere Denkweise in Bezug auf die Materialsynthese komplett verändern", so die Autoren. "Die synthetische Welt könnte ein ganz neues Level der Präzision und Raffinesse erreichen, das bislang der Biologie vorbehalten war."

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