Neue Analysemethode entwickelt: Was passiert im Inneren winziger Molekülgerüste?

Mit winzigen magnetischen Sonden lässt sich erforschen, welche chemischen Kräfte in den Poren von molekularen Gerüstverbindungen wirken. Bislang war das nur in Ansätzen möglich. Entwickelt hat das Verfahren ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Die Methode könnte dabei helfen, die Eigenschaften der Materialien besser zu verstehen und künftig zu steuern. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift „Small“.

Sogenannte kovalente organische Gerüstverbindungen (COF) gelten als vielversprechende Materialien für eine Reihe von Anwendungen. Im Grunde handelt es sich um poröse, kristalline Verbindungen. Besonders ist, dass sie über regelmäßige, winzige Poren verfügen. „Wegen ihrer Poren kommen COF für verschiedene Anwendungen in Betracht. Sie könnten Schadstoffe aus dem Wasser filtern oder als Katalysatoren für chemische Reaktionen zum Einsatz kommen“, sagt Simona Bassoli vom Institut für Chemie der MLU. Voraussetzung dafür ist, dass sich die chemische Umgebung im Inneren gezielt einstellen lässt. Und dafür muss man sie zunächst präzise messen können.

Genau das ist aber das Problem: Da die Poren nur wenige Nanometer klein sind, lassen sie sich nicht optisch untersuchen. Andere direkte Messverfahren stoßen ebenfalls an ihre Grenzen. Das bisherige Standardverfahren zur Untersuchung misst, wie viele Stickstoff-Moleküle sich bei rund minus 196 Grad Celsius in den Poren einlagern. „Bei diesen Temperaturen ist jede molekulare Bewegung eingefroren. Man bekommt ein Standbild ohne chemische Wechselwirkungen und ohne wichtige Eigenschaften über die Poreneigenschaften“, ergänzt Sebastian Michler vom Institut für Chemie der MLU.

Die Idee für die neue Arbeit entstand im Inkubator-Programm des Graduiertenkollegs „BEAM“, in dem Bassoli und Michler an ihren Promotionen arbeiten. Dabei lernen Promovierende, eigene Forschungsprojekte zu beantragen, zu planen und eigenverantwortlich umzusetzen. Das Team stellte zwei COF-Varianten mit gegensätzlichen Poren her: eine mit wasseranziehenden und eine mit wasserabweisenden Molekülketten. Dieser Unterschied sollte zeigen, ob die Methode chemische Unterschiede erkennen kann.

Anstelle von Stickstoff gaben die Forschenden eine spezielle Art molekularer magnetischer Sonden hinzu, die bei Raumtemperatur in Wasser gelöst sind. Diese lassen sich mit Hilfe von Mikrowellen in einem starken Magnetfeld ansprechen und sie „funken“ ein Antwortsignal zurück. Dafür nutzten den Forschenden die sogenannte Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (EPR). Die Grundidee: Wenn die Sonden in den Poren mit den Wänden wechselwirken, verändert das ihr Antwortsignal. Aus diesen Signalen ließ sich ablesen, wie viele Sonden in den Poren gebunden wurden, in welcher Konzentration sie sich in den Poren sammelten und auch, über welche Bindungsart sie an der Wand hafteten. Die Sonden zeigten zudem deutlich an, ob und wie stark die Molekülketten der Poren wasseranziehend oder -abweisend waren.

Die Methode ist bisher vor allem eine Ergänzung zur etablierten Analytik, da sie andere Informationen über dasselbe Material liefert. Als Nächstes wollen die Forschenden klären, ob sich mit den Sonden noch weitere Materialeigenschaften und ob sich die Befunde auf andere poröse Materialien übertragen lassen.

Die Arbeit wurde im Rahmen des Graduiertenkollegs 2670 „BEAM – Beyond Amphiphilicity“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Studie: Michler S., Bassoli S. et al. Characterization of the Pore Environments in Covalent Organic Frameworks by Dynamic Spin Probe Exchange. Small (2026). doi: https://doi.org/10.1002/smll.75070