Dynamische Prozesse in porösen Materialien sind für ihre Anwendungen entscheidend. Dies reicht von der Sensortechnologie über die Trennung molekularer Mischungen bis hin zur Speicherung und Energieumwandlung. Darüber hinaus sind solche Prozesse der Schlüssel zur Herstellung intelligenter Materialien, die dynamisch auf äußere Reize reagieren.

Kristalline nanoporöse Filme wie metall-organische Gerüste (MOFs, Chemie-Nobelpreis 2025) sind besonders faszinierend. Die Wechselwirkung der Gastmoleküle mit dem MOF, die Diffusion in den Poren sowie nanoconfinement-Effekte und „smarte“ Materialien gehören zu den Forschungsinteressen der Arbeitsgruppe.  

 

 

Diffusion und Stofftransport

Die Beladung mit Gastmolekülen ist der Schlüssel für die meisten Anwendungen von nanoporösen Materialien, wie MOFs. Mit Hilfe verschiedener Techniken, wie Quarzkristall-Mikrowägung (QCM), zeitaufgelöster Infrarot- (IR) und UV-Vis-Spektroskopie, untersuchen wir den Stofftransport verschiedener Moleküle in den Nanoporen unter verschiedenen Bedingungen.

 

Einzigartige Sensoren und elektronische Nasen

Auf Grund der einzigartigen Eigenschaften sind MOF-Filme ein ideales aktives Material für verschiedene Sensoren, insbesondere Gassensoren. Wir stellen elektronische Nasen (d.h. Arrays von Gassensoren) mit verschiedenen funktionellen MOF-Filmen her und nutze diese um verschiedenste Moleküle zu identifizieren/„riechen“. Mithilfe homochiraler MOF-Filme in einem Sensor-Array konnten so erstmals die Enantiomere vieler verschiedener chiraler Moleküle gleichzeitig detektiert und unterschieden werden. Basierend auf ausgewählten MOF-Filmen ist es auch erstmals möglich mit einem Sensorsystem ternäre Isomer-Mischungen (z.B. der drei Xylol-Isomere) zu erkennen. Außer in gravimetrische Sensoren werden die MOF-Filme auch als aktives Material in anderen Sensortypen genutzt, wie in photonischen Sensoren oder in Graphen-Transistor-Sensoren.

 

 

Intelligente nanoporöse Beschichtungen – Photoschaltbare MOF-Filme

Die Fernsteuerung physikalischer und chemischer Eigenschaften spielt eine Schlüsselrolle für intelligente, funktionale Materialien. Das große Potenzial dünner MOF-Schichten, die photoschaltbare Moleküle enthalten, wird erforscht. Die photoschaltbaren Einheiten, wie Azobenzol und Spiropyran, können durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen reversibel zwischen verschiedenen Formen geschaltet werden. Dieses Photoswitching beeinflusst die Wechselwirkung zwischen dem Wirtsgerüst und den Gastmolekülen und verändert die physikalisch-chemischen Eigenschaften. Beispielsweise realisieren wir damit Membranen mit fernsteuerbarer Permeation, Dünnfilme mit fotoschaltbarer ionischer oder elektrischer Leitfähig und foto-programmierbare Sensoren.

 

Leitfähige- und halbleitende poröse Filme

Durch den Einbau organischer, halbleitender Moleküle in das kristalline Gitter können MOFs interessante Halbleitereigenschaften erhalten. Dies ermöglicht Fotoleitung in MOF-Dünnschichten (z.B. für Lichtdetektoren) und pn-Übergang (wie Dioden) mit kristalliner Grenzfläche.

 

 

Ionendynamik im Nano-confinement

Ionische Flüssigkeiten (room temperature ionic liquids) im Nano-confinement, d.h. im nanoporösen Material eingeschlossen, finden Anwendung in Superkondensatoren und Batterien sowie in der ionenbasierten Signalverarbeitung. Die genaue Untersuchung der Ionenmobilität zeigt einzigartige und unerwartete strukturelle und dynamische Eigenschaften. Dabei sind die MOF-Filme ein einzigartiges Modellsystem.