Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) wurden rasch als «Wundermaterial» gepriesen, da ihre grossen inneren Oberflächen und einstellbaren Porengrössen verbesserte Anwendungen beispielsweise bei der Gasspeicherung ermöglichen. Während bisherige Vertreter hauptsächlich auf Übergangsmetallen basieren, hat sich ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) an exotischerer Stelle im Periodensystem umgesehen: Sie erforschen analoge Verbindungen, bei denen sie als anorganischen Teil Actinoide einbauen. Auf diese Weise leisten sie unter anderem einen Beitrag zur sicheren Endlagerung radioaktiver Stoffe.
Die Rossendorfer haben damit den Grundstein zu einer Plattform für Gerüstverbindungen gelegt, die eine Reihe von Actinoid-Metallionen als Primär-Baustein beherbergen kann, nämlich Thorium und Uran sowie die Transurane Neptunium und Plutonium. «Die meisten dieser Elemente aus der letzten Reihe des Periodensystems sind künstlicher Natur. Sie entstehen bei Neutronenbeschuss oder als Nebenprodukt im Kernreaktor. Mit ihnen hat der Mensch äusserst gefährliche Substanzen geschaffen, denn sie sind allesamt radioaktiv und zum Teil extrem toxisch», erläutert Dr. Moritz Schmidt vom Institut für Ressourcenökologie am HZDR. «Das heisst auch: Sämtliche experimentelle Arbeiten müssen wir unter speziellen Sicherheitsvorkehrungen ausführen. Unser Arbeitspferd ist dabei die Koordinationschemie, oder anders gesagt die Komplexbildung von Metallen mit vorrangig organischen Molekülen», fügt Dr. Juliane März zum Hintergrund der Arbeit des Teams hinzu.
Elemente mit komplexeren Elektronenhüllen
Ein noch relativ junges Gebiet innerhalb der Koordinationschemie bilden die metallorganischen Gerüstverbindungen. Die ultrahochporösen Feststoffe bestehen aus Metallen oder Metall-Sauerstoff-Clustern, die mittels Verstrebungen aus organischen Chemikalien miteinander modular verbunden sind und Netzwerke aus flexiblen Hohlräumen bilden, die an die Poren eines Küchenschwamms erinnern. Im Fokus der Forschung standen zunächst die Übergangsmetalle. «Gute Aussichten auf neue Anwendungen führten bald zu einer Ausweitung auf Elemente mit komplexeren Elektronenhüllen – zunächst auf die Seltenerdmetalle und schliesslich auch auf die Actinoide. Gerade zu den nicht natürlich vorkommenden Transuranelementen wie Neptunium und Plutonium ist aber noch so gut wie nichts bekannt», umreisst März kurz die Chronologie.
Leuchtende Gerüstverbindungen
Als organische Verstrebung haben sie chemisch modifiziertes Anthracen eingezogen, einen bekannten Vertreter der polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. «Wir wissen, dass kristallines Anthracen der beste organische Szintillator ist: Geht energiereiche Strahlung durch diese Substanz, regt sie deren Moleküle durch Stossprozesse an. Die Anregungsenergie wird in Form von blauem Licht wieder abgegeben. Deshalb leuchten unsere Gerüstverbindungen auch von selbst», berichtet Schmidt. Darüber hinaus zeigen sie noch eine weitere besondere Eigenschaft: die Breite ihrer Bandlücke, die ein Mass für den energetischen Abstand zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband ist. «Bei einem Halbleiter ist bei sehr tiefen Temperaturen nur das Valenzband mit Ladungsträgern besetzt, er ist in diesem Zustand nichtleitend. Bei Energiezufuhr wandern sie in das Leitungsband und führen so zu einem Stromfluss. Messungen zeigen, dass unser neues Material zu den sogenannten breitbandigen Halbleitern gehört, die vor allem in der Leistungselektronik und Sensorik zum Einsatz kommen. Dadurch wird eine Anwendung als Detektor für ionisierende Strahlung denkbar – eine konstante interne Strahlungsreferenz liefern unsere eingebauten Actinoide gleich mit», freut sich Schmidt.
Eine «massgeschneiderte Abfallmatrix»
Mit Beginn der MOF-Forschung hatten Arbeitsgruppen weltweit Vertreter synthetisiert, die immer grössere innere Oberflächen aufwiesen und deshalb als Alternative für Aktivkohle oder Zeolithe etwa bei der Stofftrennung oder in katalytischen Prozessen gelten. Ihr Vorteil: Durch den baukastenartigen Aufbau lassen sich vielfältige Netzwerk-Topologien umsetzen und die Porengrößen durch Auswahl einer passenden Verstrebung hinsichtlich einer gewünschten Anwendung sehr fein justieren, beispielsweise als effizientes Adsorptionsmittel für eine ganz spezielle Chemikalie.
März und Schmidt haben in diese Richtung weitergedacht und fügen mit ihrer Arbeit nun eine neue Facette hinzu: Sie sehen Anwendungen auf einem Gebiet, auf dem das HZDR-Institut für Ressourcenökologie forscht: die sichere Endlagerung radioaktiver Stoffe. Die Forschenden denken da beispielsweise an die Entwicklung einer massgeschneiderten Abfallmatrix, die Actinoide im Gerüst und Spaltprodukte in ihren Poren immobilisiert.
