Magnetsonden enthüllen die Chemie in COF-Poren im Labor

Im Innern eines porösen Kristalls, dessen Poren nur wenige Nanometer breit sind, kann kein optisches Instrument erkennen, was dort geschieht. An der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben die Doktoranden Simona Bassoli und Sebastian Michler einen anderen Weg gefunden, hinzusehen: Sie geben winzige Magnetsonden in die Poren und messen, wie diese Sonden reagieren. Die Arbeit ist im Fachjournal Small erschienen und befindet sich noch im Laborstadium.

Bei den betreffenden Materialien handelt es sich um kovalente organische Gerüstverbindungen, kurz COFs: poröse, kristalline Verbindungen, deren regelmäßige Poren sie geeignet machen, Schadstoffe aus Wasser zu filtern oder als Katalysatoren chemische Reaktionen zu unterstützen. Bevor das genutzt werden kann, muss das chemische Milieu in den Poren fein abgestimmt werden, und dafür muss es präzise gemessen werden. Die Standardmethode misst, wie viele Stickstoffmoleküle bei etwa -196 °C in den Poren adsorbiert werden. Bei dieser Temperatur friert jede Molekülbewegung ein. Das Ergebnis ist eine Momentaufnahme, die nichts über chemische Wechselwirkungen aussagt.

Das Team aus Halle ersetzt den Stickstoff durch eine spezielle Art von Magnetsonde, die sich bei Raumtemperatur in Wasser löst. Im starken Magnetfeld durch Mikrowellen angeregt, senden die Sonden ein Antwortsignal zurück, das mit einer Methode namens Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (EPR) ausgelesen wird. Das Prinzip ist einfach: Berührt eine Sonde eine Porenwand, ändert sich ihr Signal. Dieses Signal zeigt, wie viele Sonden in den Poren gebunden sind, wie stark sie konzentriert sind, welche Art von Bindung sie an der Wand hält und ob die Molekülketten, die die Poren auskleiden, Wasser anziehen (hydrophil) oder abstoßen (hydrophob).

Um zu prüfen, ob die Methode chemische Unterschiede tatsächlich erkennt, stellte das Team zwei COF-Varianten mit gegensätzlichen Poren her: eine mit wasseranziehenden, eine mit wasserabstoßenden Ketten. Die Methode ergänzt etablierte analytische Verfahren, da sie andere Informationen über dasselbe Material liefert. Präzisionswerte wurden bislang nicht veröffentlicht.

Für Labore, die poröse Materialien entwickeln, besteht der Gewinn darin, vor dem Einsatz in Filtration oder Katalyse zu prüfen, was eine Pore tatsächlich bewirkt. Einen Zeitplan nennt das Team nicht. Als Nächstes will es klären, ob die Sonden auch andere Materialeigenschaften sichtbar machen können und ob das Verfahren bei anderen porösen Materialien funktioniert. Bis diese Fragen beantwortet sind, bleibt die Methode ein Forschungswerkzeug.