Forschung Übersicht

Das hauptsächliche Forschungsthema des Arbeitskreises ist die kontrollierte Synthese von Festkörpern aus Lösungen, insbesondere unter milden (meist hydrothermalen) Bedingungen. Die milden Bedingungen erlauben die Einführung organischer (und metallorganischer) Moleküle in die Synthesesysteme. Diese Moleküle werden meist vom sich bildenden anorganischen Festkörper eingeschlossen und beeinflussen so dessen Struktur und auch Morphologie. Bei der anorganischen Komponente handelt es sich häufig, aber nicht immer, um Siliciumdioxid. Die Strukturierungsmaßstäbe, auf denen diese strukturdirigierenden Agentien (SDAs) wirken, reichen dabei vom atomaren Maßstab im Falle kristalliner mikroporöser Verbindungen über den Nanometermaßstab (mesoporöse Materialien mit geordneten Porensystemen) bis hin zur gezielten Einstellung von Morphologien auf der Mikrometerskala im Falle der Biomineralisation. Neben der Synthese dieser Stoffe untersuchen wir intensiv ihre geometrischen Strukturen (Einkristall- und Pulverröntgenbeugung, EXAFS, strukturelle Modellierung), ihre Dynamik insbesondere im Hinblick auf Phasenumwandlungen (Thermogravimetrie, DSC, temperaturabhängige Beugungsexperimente, Molecular-Dynamics-Simulationen), und ihre Sorptionseigenschaften. Bei den Gastkomponenten interessieren zusätzlich ihre elektronischen und optischen Eigenschaften (XANES, Festkörper-UV-Vis-Spektroskopie).

Bei der Synthese kristalliner mikroporöser Materialien (z.B. Zeolithe, Zeosile, Clathrasile) werden gegenwärtig die folgenden Themen bearbeitet:

• Darstellung neuer mikroporöser Festkörperstrukturen, insbesondere im Hinblick auf große Poren, mehrdimensionale Kanalsysteme, chirale Zeolithe), wobei zunehmend nichtklassische SDAs wie Metallkomplexe und metallorganische Verbindungen genutzt werden;
• zusätzliche Kontrolle über das Reaktionsprodukt mit Hilfe von inerten Gasen ("Co-SDAs");
• Syntheseplanung mit Hilfe von Modellierungsverfahren.

Die mikroporösen Materialien werden im Hinblick auf ihre Anwendungen in der spezifischen Sorption und Stofftrennung sowie als Gasspeichermaterialien untersucht. Darüber hinaus dienen sie als Wirtverbindungen für die Aufnahme kleiner anorganischer Moleküle, die im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften (Pigmente, nichtlinear optische Effekte, neue Laser-Materialien) von Interesse sind (Kooperationen Dr. Marlow / MPI Mülheim und Dr. Laeri, Prof. Tschudi / TH Darmstadt).

Die Synthese mesostrukturierter und mesoporöser Materialien erfolgt mit Hilfe supramolekularer Aggregate von Tensiden. Hier werden die folgenden Themen vertieft bearbeitet:

• Grundlegende Untersuchungen zur Synthese und Modifikation geordneter mesostrukturierter Materialien;
• Synthese mesotrukturierter Materialien mit funktionalisierten (z.B. Chromophor-tragenden) Amphiphilen;
• Dynamik in micellaren Aggregaten bei tiefer Temperatur;
• Synthese von lamellaren Amphiphil-Eisenoxidhydroxid-Compositen ("Eisenoxid-Seifen") mit speziellen magnetischen Eigenschaften.

Die mesoporösen Materialien dienen als Wirtsubstanzen für die Untersuchung der Dynamik von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in eingeschränkten Geometrien. Mikro- und mesoporöse Materialien dienen darüber hinaus als Basismaterial für einzelmolekülspektroskopische Untersuchungen (Kooperation Prof. Bräuchle, Dr. Deeg / LMU München).

Die Studien zu den Prinzipien der Biomineralisation beschäftigen sich einerseits mit festkörperanalytischen Untersuchungen der natürlichen Biominerale, insbesondere Siliciumdioxid, und haben auf der anderen Seite das Ziel, im Rahmen einer möglichst eng an den biologischen Vorgängen orientierten biomimetischen Materialsynthese, die natürlichen Vorgänge nachzustellen.

Der Arbeitskreis besitzt über die genannten synthetischen Themen hinaus besondere Expertisen im Bereich der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES, EXAFS) und der strukturellen Modellierung von Festkörpern und entwickelt diese Methoden auch unabhängig von den synthetischen Fragestellungen weiter.