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Wasser in Nanoporen: Räumliche Verteilung wird durch Polarität bestimmt

Wie verhalten sich Gastmoleküle in den Poren poröser Materialien? Eine Gruppe von Wissenschaftlern um CUI-Mitglied Prof. Michael Fröba vom Institut für Anorganische und Angewandte Chemie der Universität Hamburg ist dieser für Wissenschaft und Technologie höchst relevanten Frage nachgegangen. In einer im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Studie beschreiben die Wissenschaftler ihre Untersuchung von räumlich beschränkten Wassermolekülen: Sie fanden heraus, dass nicht nur die Porengröße, sondern auch Oberflächeninteraktionen infolge unterschiedlicher Polaritäten hochwirksame Effekte auslösen können.

Schematische Abbildung der Porenfüllung mit Wasser. Illustration: Benedikt Mietner

„Die Rolle von räumlich beschränkten Wassermolekülen ist vor allem für biochemische Prozesse, für die Katalyse oder für Energiespeicher höchst relevant“, sagt Benedikt Mietner, Hauptautor der Studie. Denn die räumliche Einschränkung beeinflusst die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten. Entscheidend sind dabei die Topologie, die Größe und die Oberflächenpolarität der Poren. Der Einfluss der Porengröße auf den Schmelz- und Gefrierpunkt von intraporösem Wasser wurde bereits intensiv untersucht, nicht aber der Einfluss der Oberflächenpolarität. Denn für derartige Untersuchungen mangelte es bislang an geeigneten, hochdefinierten porösen Systemen.

Direkter Blick auf Grenzflächenstruktur

Sehr gut geeignet für die Untersuchung sind periodisch mesoporöse Organoscillas (PMOs), denn sie kombinieren ein hochgeordnetes Porensystem mit einer variablen Oberfläche. Die Forscher untersuchten solche PMOs nun mithilfe der mehrdimensionalen Festkörper-NMR-Spektroskopie. Diese ermöglicht einen direkten Einblick in die Grenzflächenstruktur zwischen Wasser und Porenwand  auf molekularer Ebene. So bestimmten die Wissenschaftler die räumliche Anordnung von Wasser im Inneren der Poren und fanden heraus, dass Wassermoleküle abhängig von der alternierenden Oberflächenpolarität entweder nur mit den anorganischen Silicatschichten interagieren oder auch mit den organischen Schichten.

Mietner: „Wir konnten zeigen, dass die räumliche Verteilung von Wassermolekülen in den Poren von PMOs stark von der Polarität der organischen Einheit abhängt. Wir freuen uns sehr über dieses Ergebnis und die Einstufung als ‚very important paper‘.“ Die Untersuchungen der Gruppe helfen dabei, die Größenbeschränkungseffekte aufgrund unterschiedlicher Oberflächen genauer zu verstehen. Text: CUI

 

Originalveröffentlichung:
Mietner J. B., Brieler F. J., Lee Y. J., Fröba M.
„Eigenschaften von Wasser in den Poren von periodisch mesoporösen Organosilicas – Nanoabprägung der lokalen Struktur“
Angewandte Chemie, Volume 129, Issue 40 (2017), page 12519
DOI: 10.1002/ange.201705707