Wissenschaft + Forschung

In einem Perspektiv-Artikel kritisieren Anthony K. Cheetham und Ram Seshadri, Universität Santa Barbara, die Veröffentlichung einer Gruppe von Forschenden der Firma Google in der Zeitschrift Nature. Merchant et al. hatten künstliche Intelligenz und Techniken des maschinellen Lernens verwendet, um „die der Menschheit bekannten stabilen Materialien um eine Größenordnung zu erweitern“.Cheetham und Seshadri haben 250 der vorgeschlagenen Materialien aus der GNoME-Datenbank untersucht. Dabei prüften sie, ob diese tatsächlich neu sind, ob Strukturen und Synthese realistisch erscheinen und ob sie nützlich sein könnten.Wie sie an Beispielen zeigen, erfüllen einige Materialien nicht alle dieser Kriterien. So postulieren die Kristallstrukturen in der Datenbank eine Ausordnung von Seltenerdmetallionen, zum Beispiel bei TbSmSeO2. Nimmt man stattdessen an, dass die Seltenerdmetallionen nicht ausordnen, ist dessen Kristallstruktur isomorph zu La2SeO2. Das macht sie zu einer trivialen Variation einer bekannten Verbindung. Außerdem schlägt die KI-Methode Materialien vor, die kurzlebige radioaktive Elemente wie Actinium oder Promethium enthalten und deshalb schlecht nutzbar sind. Die Verteilung der Raumgruppen in der GNoME-Datenbank weicht von der Inorganic-Crystal-Structure-Database (ICSD) ab, einer Datenbank für experimentell bestimmte anorganische Kristallstrukturen. Den Autoren zufolge führt dies zu Vorschlägen für Kristallstrukturen mit niedrigerer Symmetrie, die nicht realisiert werden könnten. Der Grund: Die GNoME-Datenbank nimmt häufig eine perfekte Ausordnung ähnlicher Atomen und Ionen an – bei Seltenerdmetallen sowie zum Beispiel bei Zirconium und Hafnium. Die Autoren halten es dennoch für vielversprechend, mit KI <link href="#nadc20244143190-fig-0001">neue Materialien vorzuschlagen – in künftige Versionen sollten jedoch mehr chemisches und kristallographisches Wissen einfließen.<figure xml:id="nadc20244143190-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/p4hq0pSERHOwOW9hhvhB"><figcaption><label>Abb.1: </label>Diese Kriterien sollen neue Materialien erfüllen.</figcaption></figure></figure>Johanna HeinePerspektive: Chem. Mater., doi: <accessionid ref="info:doi/10.1021/acs.chemmater.4c00643">10.1021/acs.chemmater.4c00643</accessionid>Besprochener Artikel: Nature, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41586-023-06735-9">10.1038/s41586-023-06735-9</accessionid>

Kurz notiert

Neue Materialien durch KI?

In einem Perspektiv-Artikel kritisieren Anthony K. Cheetham und Ram Seshadri, Universität Santa Barbara, die Veröffentlichung einer Gruppe von Forschenden der Firma Google in der Zeitschrift Nature. Merchant et al. hatten künstliche Intelligenz und Techniken des maschinellen Lernens verwendet, um...

Blickpunkt Anorganik

Mit oder ohne Sprudel? Permanent poröse Flüssigkeiten nehmen Gase in ihre Poren auf und setzen diese wieder frei – es gibt sogar wässrige poröse Materialien. Wichtige Bestandteile der neuen Materialklasse: anorganische Koordinationskäfige und Gerüstverbindungen sowie ionischen Flüssigkeiten.Um poröse Materialien herzustellen, sind Flüssigkeiten oft essenziell. Sie dienen als Lösungsmittel und oft als Templat, damit sich Poren bilden können. Dennoch ist das Schicksal der Flüssigkeiten in der Regel das gleiche: Nach der Synthese werden sie aus den Poren entfernt, damit diese sich anderweitig nutzen lassen. Für die fertigen porösen Materialien sind die Flüssigkeiten nicht mehr nötig.Die Präsenz permanenter Poren in Flüssigkeiten ist hingegen kontraintuitiv. Zwar enthalten viele Flüssigkeiten intermolekulare Kavitäten, doch diese verändern sich aufgrund der Molekularbewegung. Verglichen mit permanenten intrinsischen Poren in Festkörpern sind transiente Poren deshalb schwerer zu untersuchen und zu nutzen.Ist es dennoch möglich, permanente Poren in Flüssigkeiten zu integrieren und sie für Gastmoleküle wie Gase zugänglich zu machen?<h2 type="main">Festkörper oder Molekül: ein Typ für alle</h2>Das erste Konzept zu porösen Flüssigkeiten (PF) stammt aus dem Jahr 2007.1) Vermutlich existieren ältere Synthesearbeiten zu Flüssigkeiten, die Charakteristika von PFs aufweisen. Diese wurden jedoch nie zu permanenter Porosität in der Flüssigphase untersucht. Bis heute haben sich zwei grundlegende Ansätze zur PF-Herstellung entwickelt, von denen sich vier Typen ableiten (<link href="#nadc20244142062-fig-0001">Abbildung 1).<figure xml:id="nadc20244142062-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/XHEEv1nLStm2vE85NOwB"><figcaption><label>Abb.1: </label>Konventionelle Flüssigkeit und Typen poröser Flüssigkeiten mit Beispielen für Porenträger: tetraedrische Koordinationskäfige mit (Typ I) und ohne (Typ II) solvatisierende Seitenketten; poröse Gerüstverbindungen (Typ III) und teilweise geschmolzene Gerüstverbindungen (Typ IV).</figcaption></figure></figure>Typ I basiert auf flüssigen permanent-porösen Molekülen oder Partikeln und Typ IV auf der Schmelze poröser Festkörper, wobei die poröse Struktur teilweise erhalten bleibt. Beide Typen sind PF, die keine Lösungsmittel benötigen, um die Flüssigphase zu stabilisieren.Typ II und Typ III beruhen hingegen auf permanent-porösen Molekülen oder Festkörpern, die in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert werden. Damit die Materialien porös bleiben, darf das Lösungsmittel nicht in die Poren eindringen.Es gibt keine strikte Definition, was eine PF ist. In der Regel wird jedoch von einer Flüssigphase nahe Raumtemperatur und Normaldruck ausgegangen. Aber auch Substanzen mit Schmelzpunkten über 100 °C können als PF angesehen werden, wenn ihre Flüssigphase permanente Porosität aufweist.<h2 type="main">Sand, Kohle und Salze</h2>Die ersten Versuche, PF zu synthetisieren, bestanden darin, poröse organische Käfige mit langkettigen Alkylketten zu funktionalisieren.2) Diese setzen den Schmelzpunkt herab. Dieser intuitive Ansatz ist charakteristisch für Typ-I-PF. Allerdings drangen die Seitenketten in der Flüssigphase in das Käfiginnere ein, sodass die Materialien weniger porös wurden.Die ersten PF eines anorganischen Porenträgers wurden im Jahr 2015 entwickelt. Dazu wurden die Oberflächen poröser Silicatnanopartikeln über Silanolanbindung mit langkettigen Polymerketten funktionalisiert (<link href="#nadc20244142062-fig-0002">Abbildung 2).3) Die sphärischen Partikel mit 14 nm Durchmesser waren hohl und mit einer mikroporösen Silikatschicht versehen. Diese ist für Gase wie CO2 und N2 durchlässig, hindert jedoch die Polymerketten daran, in den Porenraum einzudringen.<figure xml:id="nadc20244142062-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/kPToZ9MwTk6QPWfUvDva"><figcaption><label>Abb.2: </label>Poröse Flüssigkeiten des Typs I mit solvatisierenden Gruppen, basierend auf a) hohlen Silikatpartikeln und b) hohlen Kohlenstoffpartikeln. Im jeweils linken Gläschen befindet sich der trockene Festkörper ohne Funktionalisierung. Im rechten befinden sich die funktionalisierten Partikel als a) niedrig- und b) hochviskose Flüssigkeit. Drittes Gläschen visualisiert, dass die Partikel CO2 speichern. Bild links aus Quelle 3), rechts aus Quelle 4)</figcaption></figure></figure>Mit einem ähnlichen Ansatz lässt sich in ionischen Flüssigkeiten eine stabile Dispersion aus hohlen Kohlenstoffpartikeln bilden. Dazu wechselwirkt die ionische Flüssigkeit elektrostatisch mit der Partikeloberfläche.4) Auf gleiche Weise wurden Oberflächen von Zeolith-Nanopartikeln mit langkettigen Organosilanolen funktionialisiert, sodass sich ohne weiteres Lösungsmittel eine stabile poröse Dispersion bildete.5)Die Oberflächen poröser Nanopartikel zu funktionalisieren ist inzwischen ein zentraler Ansatz, um PF herzustellen. Dabei werden ionische Flüssigkeiten vor allem genutzt, da sie chemisch funktionalisierbar sind und durch ihren niedrigen Dampfdruck nicht austrocknen. So wurden auch molekulare Koordinationskäfige in eine permanent-poröse Flüssigphase überführt.6) Anders als die Beispiele davor entstehen sie in einer einstufigen Reaktion: Ein Trialdehyd und eine anilinfunktionalisierte ionische Flüssigkeit kondensieren, wobei sich ein dreizähniger Ligand bildet (<link href="#nadc20244142062-fig-0003">Abbildung 3). Dieser reagiert in situ mit Zinktrifluormethansulfonat. Dabei ergeben sich die funktionalisierten Koordinationskäfige in der Flüssigphase. Diese Typ-I-PF nimmt selektiv aus der Gasphase Alkohole und Fluorchlorkohlenwasserstoffe auf.<figure xml:id="nadc20244142062-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/qW13ugADQ3WnrTm520gE"><figcaption><label>Abb.3: </label>Poröse Flüssigkeit des Typs I aus funktionalisierten Koordinationskäfigen. Sie erzeugen einen Hohlraum, da Zink mehrfach von Pyridiniminen koordiniert wird. In diese Poren können sich halogenierte Kohlenwasserstoffe einlagern.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Flüssige Poren messen</h2>Wie charakterisiert man Porosität in der Flüssigphase? Poren einzuführen reduziert die Dichte. Diese lässt sich mit jener der Flüssigkeit ohne Poren vergleichen oder direkt durch Positronen-Annihilations-Spektroskopie analysieren,5,7) da die Positronen nicht mit dem leeren Raum in den Poren wechselwirken.Ähnlich zu porösen Festkörpern ist auch bei PF die Adsorption von Gastmolekülen wichtig, vor allem von Gasen. So lässt sich bestimmen, wie viel Porenvolumen zugänglich ist. Außerdem ist abschätzbar, ob sich die PF eignet, um Gase und Flüssigkeiten zu speichern oder voneinander zu trennen.3,6)Bei den Gasadsorptionsmessungen ist sowohl zu berücksichtigen, wie gut sich das Testgas in der unporösen flüssigen Phase löst, als auch der Dampfdruck der Flüssigkeit, da die Messung im partiellen Vakuum stattfindet. Da der freie Gastransport in der Flüssigphase um Größenordnungen geringer ist als in der Gasphase, werden PF während der Messung meist gerührt.8) In PF des Typs III beeinflusst zudem die Partikelgröße des dispergierten porösen Feststoffs das Porenvolumen und die Transporteigenschaften.9) Analysieren lassen sich Porosität und Wechselwirkung mit Gastmolekülen durch NMR-Spektroskopie, indem Flüssigkeiten6) oder Sondengase wie 129Xe zugegeben werden.10) Um passende Lösungsmittel-Porenträger-Kombinationen zu finden, setzen die Cooper- und die Greenway-Gruppe neben experimentellen Methoden computergestützte und automatisierte Analysen ein.11)<h2 type="main">Olivenöl, Silikon und flüssige Salze</h2>Waren PF-Interessierte anfangs auf Typ I und II fokussiert, die aus porösen Nanopartikeln und vor allem aus organischen Käfigen mit oder ohne Lösungsmittel bestehen, steht heute Typ III im Fokus. Dieser lässt sich aus mikroporösen Festkörpern wie Zeolithen oder metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) herstellen. Sie werden in einem Lösungsmittel dispergiert; deshalb ist chemische Funktionalisierung unnötig. Als Lösungsmittel eignen sich Silikonöle, Polymere wie Polyethylenglykol (PEG) und PEG-Derivate, ionische Flüssigkeiten sowie natürliche Triglyceride oder Olivenöl12) – je größer oder verzweigter die Lösungsmittelmoleküle, desto besser. Neben der Sterik muss die Polarität des Lösungsmittels zu der Oberfläche des Partikels oder Festkörpers passen. Ist das nicht so, wie bei Sand in Öl, gibt es keine stabile Dispersion, und die Phasen trennen sich.<h2 type="main">Wasser mit Mikroporen, atmende poröse Flüssigkeiten</h2>Einige mikroporöse Materialien nehmen wenig Wasser in die Poren auf, obwohl Wasser sehr klein ist. Sie sind hauptsächlich hydrophob – aus Kohlenstoff oder hydrophoben Polymeren wie Teflon. In Wasser dispergieren lassen sich beispielsweise PEG-funktionalisierte Nanokristalle des MOFs ZIF-8 oder die Zeolithe Silikalit-1 und ZSM-513) – das liefert stabile Typ-III-PF (<link href="#nadc20244142062-fig-0004">Abbildung 4). Als eine Art anorganisches Hämoglobin können diese PF bei Normaldruck vier- bis fünfmal mehr Sauerstoff in Wasser lösen als Blut. Da sie in Wasser funktionieren, scheint eine Anwendung in der Medizin möglich.<figure xml:id="nadc20244142062-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/EgKHegUTIWbnU1BgNEAK"><figcaption><label>Abb.4: </label>Poröse Flüssigkeiten des Typs III in Wasser als Lösungsmittel mit funktionalisiertem a) ZIF-8 und b) Silikalit-1. c) Poröse Flüssigkeiten basierend auf dem flexiblen MOF ZIF-7 in Silikonöl. Teile der Abbildung aus Quelle 15).</figcaption></figure></figure>Bleiben wir beim Atmen. Ein paar dynamische poröse Festkörper zeigen Porenexpansion oder -kontraktion, wenn sie Gase aufnehmen beziehungsweise abgeben. Das kann zu unüblichem Gasadsorptionsverhalten und damit einer effizienteren Kapazität in der Gasspeicherung führen.14) Dieses Verhalten flexibler MOFs ist als Atmen bekannt und lässt sich auch in Typ-III-PF erzeugen:15) So wurden die MOFs ZIF-7 und ZIF-9 in einem Silikonöl dispergiert und zeigten auch als PF die sigmoidale Isothermen-Form und -Hysterese, die typisch ist für atmende poröse Festkörper und Flüssigkeiten.<h2 type="main">Poren zum Dahinschmelzen</h2>Warum poröse Materialien nicht einfach so wie organische Käfige schmelzen statt Funktionalisieren und Dispergieren? In den letzten Jahren wurden poröse Koordinationspolymere entdeckt, die bei unter 300 °C stabile Schmelzen und beim Abkühlen Gläser bilden. Das Schmelzen des MOFs ZIF-4 liefert eine Flüssigkeit, die immer noch Charakteristika der Gerüstverbindung aufweist – darunter kleine Poren.16) Da die Teilchen in der Schmelze mobil sind, ist allerdings nicht von einer permanenten PF auszugehen.<h2 type="main">Überblick</h2>Permanente Poren lassen sich unterschiedlich in Flüssigkeiten einbringen: Die Oberflächen poröser molekularer Käfige und nanoskaliger Partikel können mit flüssigkeitsbildenden Gruppen funktionalisiert werden (Typ I); molekulare Käfige (Typ II) oder poröse Festkörper (Typ III) lassen sich in einem Lösungsmittel lösen oder dispergieren, das nicht in den Porenraum eindringt.Die Schmelzen poröser Feststoffe als poröse Flüssigkeit (Typ IV) bedürfen weiterer Experimente: Zum einen gibt es nur etwa zwanzig Arbeiten zu schmelzenden MOFs, zum anderen wurden diese meist nicht auf Porosität untersucht. Die Schmelzen schließen aber konzeptionell an das wachsende Feld ionischer Flüssigkeiten an.Es ist wahrscheinlich, dass deutlich mehr PF als bisher bekannt existieren, jedoch nie auf Porosität untersucht wurden. Hilfreich könnte hier sein, experimentelle Standards zu entwickeln, mit denen sich poröse Flüssigkeiten charakterisieren und einordnen lassen.17)In den beschriebenen Beispielen nehmen poröse Flüssigkeiten unterschiedliche Gase auf, ähnlich wie poröse Feststoffe. Nutzen ließe sich dies insbesondere zur Gastrennung durch Extraktion mit Flüssigkeiten, analog zur CO2-Extraktion mit Aminen,18) um einen neuen und effizienteren Prozess zu konzipieren.19) Außerdem lassen sich mit PF Membranen aus porösen Feststoffen einfacher herstellen, da das Lösungsmittel nicht aus den Poren entfernt werden muss.20)Wie poröse Flüssigkeiten aus Komponenten wie Wasser und Zeolithen zeigen, funktionieren Typ-III-PF auch mit kleinen Lösungsmittelmolekülen wie Wasser. Wasser ist umweltfreundlich; Zeolithe bestehen aus Aluminium- und Siliciumverbindungen, die gut verfügbar sind und werden sowieso schon im Industriemaßstab hergestellt, anders als etwa MOFs.PF können ein entscheidendes Bindeglied zwischen Technologien poröser Festkörper- und Flüssigphasenchemie werden: Zum Beispiel lassen sich flexible PF mit struktureller Dynamik erzeugen, die hydraulische Flüssigkeiten mit neuartigen responsive Eigenschaften möglich machen.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Obwohl sie flüssig sind, enthalten poröse Flüssigkeiten (PF) permanente Hohlräume.Es gibt PF mit oder ohne Lösungsmittel; manche enthalten molekulare Käfige, andere poröse Festkörper.Mit ihnen könnte man Sauerstoff im Blut transportieren oder Gase extrahieren.Das ist der erste Beitrag von Simon Krause für den Blickpunkt Anorganik. Christina Birkel und er betreuen im Wechsel die Beiträge der Reihe, die etwa alle zwei Monate erscheinen.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag hat Simon Krause verfasst. Er ist seit November 2021 unabhängiger Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und forscht an dynamischen und responsiven porösen Materialien und Molekülen. Er ist froh, trotz Arbeit an einem Institut für Festkörperforschung über Flüssigkeiten berichten zu dürfen.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/sAtoBLQbOAfolWapLVAw"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142062-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142062-bib-0001">1 N. O‘Reilly, N. Giri, S. L. James, Chem. Eur. J. 2007, 13, 3020</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0002">2 G. Melaugh, N. Giri, C. E. Davidson, S. L. James, M. G. Del Pópolo, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 9422</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0003">3 J. Zhang, S.-H. Chai, Z.-A. Qiao et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 932</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0004">4 P. Li, J. A. Schott, J. Zhang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14958</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0005">5 Y. Liu, Y. Bai, T. Tian, Materials 2019, 12, 3984</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0006">6 L. Ma, C. J. E. Haynes, A. B. Grommet et al., Nat. Chem. 2020, 12, 270</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0007">7 N. Giri, M. G. Del Pópolo, G. Melaugh et al., Nature 2015, 527, 216</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0008">8 R. L. Greenaway, D. Holden, E. G. B. Eden et al., Chem. Sci. 2017, 8, 2640</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0009">9 S. Liu, B. Lai, S. L. James, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 16436</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0010">10 M. Boventi, M. Mauri, F. Alexander, S. L. James, R. Simonutti, F. Castiglione, J. Mol. Liq. 2023, 370, 121038</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0011">11 R. J. Kearsey, Ben M. Alston, M. E. Briggs, R. L. Greenaway, A. I. Cooper, Chem. Sci. 2019, 10, 9454–9465</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0012">12 J. Cahir, M. Y. Tsang, B. Lai et al., Chem. Sci. 2020, 11, 2077</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0013">13 D. P. Erdosy, M. B. Wenny, J. Cho et al., Nature 2022, 608, 712</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0014">14 S. Krause, N. Hosono, S. Kitagawa, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15325</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0015">15 A. Koutsianos, R. Pallach, L. Frentzel-Beyme et al., Nat. Commun. 2023, 14, 4200</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0016">16 R. Gaillac, P. Pullumbi, K. A. Beyer et al., Nat. Mater. 2017, 16, 1149</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0017">17 B. D. Egleston, A. Mroz, K. E. Jelfs, R. L. Greenaway, Chem. Sci. 2022, 13, 5042</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0018">18 M. Z. Ahmad, A. Fuoco, Curr. Res. Green Sustain. Chem. 2021, 4, 100070</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0019">19 H. Mahdavi, S. J. D. Smith, X. Mulet, M. R. Hill, Mater. Horiz. 2022, 9, 1577</li><li xml:id="nadc20244142062-bib-0020">20 A. Knebel, A. Bavykina, S. J. Datta et al., Nat. Mater. 2020, 19, 1346</li></ul>

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