Blickpunkt

Wissenschaft + Forschung

Blickpunkt Biowissenschaften

Tausende pharmakologisch aktive Substanzen werden regelmäßig genutzt und gelangen somit in die Umwelt. Im Gegensatz zu ihrer Sicherheit für Patient:innen sind die Kollateralschäden in der Biosphäre wenig erforscht.Seit Anfang des 20. <link href="#nadc20244145385-fig-0001">Jahrhunderts hat die Behandlung von Krankheiten mit neu entwickelten Medikamenten die Medizin revolutioniert, die Lebenserwartung verlängert und Seuchen zurückgedrängt. Heute stehen mehr als 1900 Wirkstoffe für menschliche Patent:innen zur Verfügung. Obwohl sie teilweise verstoffwechselt werden, landen Teile der Ursprungssubstanz sowie Abbauprodukte meist im Urin und somit im Abwasser. Nicht genutzte Medikamente und Produktionsabfälle gelangen zusätzlich über die Müllentsorgung in die Umwelt.<figure xml:id="nadc20244145385-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3cdgSPj7TixCd3UYCgyy"><figcaption><label>Abb.1: </label>Bild: Leigh Prather / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Im Abwasser lassen sich mit den analytischen Methoden, die unter anderem zur vorsorglichen Überwachung in der Coronavirus-Pandemie dienten – etwa LC-MS/MS –, etliche Wirkstoffe nachweisen. Neben Medikamenten finden sich illegale Drogen wie Kokain, was hilft, den Drogenkonsum in Städten oder bei Festivals zu ermitteln. Wenig ist hingegen darüber bekannt, welche Wirkstoffe in welchem Umfang nach der Abwasseraufbereitung mit dem geklärten Wasser – oder, schlimmer noch, mit ungeklärtem Wasser – in die Umwelt gelangen und welche Schäden sie dort anrichten.<h2 type="main">Wirkstoffe in Flüssen</h2>Die erste weltweite Untersuchung der Auswirkungen von Pharmawirkstoffen auf Ökosysteme in Flüssen erschien im Jahr 2022. John Wilkinson und Alejandra Bouzas-Monroy von der Universität York in England haben zusammen mit Kolleg:innen aus anderen Ländern nach 61 Pharmawirkstoffen gesucht, und zwar in Proben von 1052 Entnahmestellen an 258 Flüssen in 104 Staaten auf allen Kontinenten.1) Zu den nachgewiesenen Substanzen zählten etwa das Malariamedikament Artemisinin, Carbamazepin gegen Epilepsie, das Beruhigungsmittel Diazepam, das Schmerzmittel Paracetamol, das Antibiotikum Trimethoprim sowie die Alltagsdrogen Nikotin und Koffein.Den Ergebnissen zufolge gefährden an mehr als einem Viertel der untersuchten Entnahmestellen die Wirkstoffe die Gesundheit von Menschen, der Umwelt oder beidem. Diese Schlussfolgerung beruht auf vorläufigen Auswertungen, bei denen nachgewiesene Konzentrationen mit kritischen Umweltkonzentrationen und mit den beim Menschen als harmlos eingestuften Konzentrationen verglichen wurden. Nicht für alle Substanzen gibt es Vergleichswerte in der Literatur.In einer eingehenderen Auswertung der Daten verglichen Bouzas-Monroy und andere die Befunde mit ökotoxikologischen Kriterien.2) Wie sie dabei herausfanden, gefährdeten an 461 der 1052 Entnahmestellen (43,5 %) die Wirkstoffkonzentrationen dort ansässige Arten. Die bedenklichen Substanzen repräsentieren verschiedene Wirkstoffkategorien und wirken dementsprechend unterschiedlich auf Organismen: Das reicht von akuter Giftwirkung bis hin zu subtilen Verhaltensänderungen, was langfristig die Überlebensfähigkeit von Populationen und Arten infrage stellen kann. Die wenigen bisher ausgeführten Untersuchungen solcher Auswirkungen geben nur einen ersten Eindruck dessen, was passieren kann.<h2 type="main">Spezifische Schäden</h2>Antibiotika sind ein Sonderfall. Hier ist seit Jahren bekannt: Die Nutzung dort, wo sie nicht unbedingt nötig sind – etwa in der Landwirtschaft –, beflügelt die Verbreitung von Resistenzgenen in der Umwelt. Und neue Antibiotika zu entwickeln dauert zu lange, um mit den Resistenzen Schritt zu halten. Deshalb besteht die große und dringliche Gefahr, dass wir innerhalb weniger Jahrzehnte die gewohnte Schutzwirkung der Antibiotika verlieren und bakterielle Infektionen wieder ein ebenso großes Problem werden, wie sie es bis Anfang des 20. Jahrhunderts waren.3)<h2 type="main">Schmerzmittel und anderes</h2>Bei anderen Wirkstoffen gibt es nur gelegentlich einen Einblick, was sie in der Natur bewirken. Das auch bei Tieren als Entzündungshemmer verwendete Schmerzmittel Diclofenac ist ein Beispiel. Es diente in Indien zur Behandlung von Rindern. Da diese dort oft eines natürlichen Todes sterben und ihre Kadaver von Geiern entsorgt werden, erhielten die Geier toxische Dosen des Wirkstoffs. Mehrere Arten der Gattung Gyps waren nahezu ausgestorben, bevor das Medikament im Jahr 2005 verboten wurde. Weil die wenigen Geier ihrer Entsorgungsaufgabe nicht mehr flächendeckend nachkommen konnten, vermehrten sich unkontrolliert Aasfresser wie Ratten und Wildhunde. Unter diesen breitete sich die Tollwut aus, an der dann 500 000 Menschen starben. Mittlerweile ist Diclofenac ein Schulbeispiel dafür, wie sehr ein einzelner Wirkstoff der Gesundheit von Mensch und Umwelt schaden kann.Die Krise rund um die Wirkung von Neonicotinoiden auf Bienen und Hummeln ist ein Beispiel dafür, dass ein Wirkstoff nicht akut toxisch sein muss, um Schaden anzurichten. Selbst eine leichte Gedächtnisstörung kann die ökologische Funktion der bestäubenden Insekten zum Entgleisen bringen. Ähnlich subtile Effekte sind von psychoaktiven Substanzen zu erwarten, die nach menschlicher Nutzung in die Umwelt gelangen – von Kaffee bis Kokain.In geklärtem Wasser aus tschechischen Kläranlagen sind Methamphetaminreste nachweisbar. Ausgehend von dieser Beobachtung hat die Arbeitsgruppe von Pavel Horký an der Tschechischen Agraruniversität Prag untersucht, wie diese Droge auf die dort heimische Forelle (Salmo trutta) wirkt. Methamphetamin ist ein anregender Wirkstoff, der bei der Behandlung einer Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) zum Einsatz kommt, aber vor allem als Partydroge benutzt wird. Das Hydrochlorid ist das besonders leicht süchtig machende Crystal Meth. Die Forscher:innen untersuchten das Verhalten der Forelle bei Methamphetamin-Konzentrationen, wie sie in Flüssen stromab von Kläranlagen vorkommen: Die Fische hatten Anzeichen einer Sucht nach dem Wirkstoff.4)Die Forellen zeigten Entzugserscheinungen und strebten aktiv nach der Droge. Diese Verhaltensweisen sind in freier Natur problematisch, weil das Drogen-suchende Verhalten andere, lebenswichtige Prozesse beeinträchtigen kann. Darüber hinaus verleitet es die Forellen, zur Drogenquelle zurückzukehren, also zu den Einflüssen von Kläranlagen, wo sie dann weiteren Gefahrstoffen ausgesetzt sind.<h2 type="main">Ecstasy</h2>Eine andere Studie befasste sich mit dem Methamphetamin-Derivat MDMA (Ecstasy) und Tintenfischen. Die Abstammungslinien von Mollusken und Säugetieren trennten sich vor mehr als 500 Millionen Jahren. Tintenfische gelten zwar mittlerweile als ebenso intelligent wie viele Säugetiere, aber ihr Nervensystem ist völlig anders organisiert als das von Mäusen und Menschen.5) Deshalb waren Eric Edsinger und Gul Dolen überrascht, als sie bei Genomstudien am Kraken Octopus bimaculoides fanden, dass dieser denselben Ecstasy-Rezeptor herstellt wie wir. Mit einem Verhaltensexperiment demonstrieren die Autoren daraufhin: Auch der Tintenfisch wird mit Ecstasy seinen Artgenossen gegenüber aufgeschlossener als ohne.6)Anna Capaldo von der Universität Neapel hat in mehreren Studien beschrieben, wie Kokain auf Fische wirkt. Die Konzentrationen entsprechen dabei denen, wie sie in der Umwelt vorkommen. Besonders beschäftigte sich Capaldo mit dem europäischen Aal (Anguilla anguilla). Chronische Belastung des Wassers mit Kokain führt bei den Aalen zu etlichen anatomischen Veränderungen, etwa an ihren Kiemen, ihren Skelettmuskeln und im Fortpflanzungssystem. Diese Veränderungen könnten langfristig das Überleben der Art gefährden.7)<h2 type="main">Alternativen suchen</h2>Kokain ist eine der am schnellsten abhängig machenden Drogen, und der Kampf gegen diese Droge und ihre Verbreitung erweist sich seit Jahren als aussichtslos. Allerdings wird die Droge in der Natur rasch abgebaut – im Gegensatz zu vielen anderen Wirkstoffen.Tomas Brodin von der Schwedischen Landwirtschaftlichen Universität in Umeå und Kolleg:innen haben zu einem Umdenken in der Pharmaindustrie aufgerufen.8) Man müsse dringend weniger umweltgefährdende Wirkstoffe entwickeln, die bei gleicher Wirksamkeit weniger Schaden in der Umwelt anrichten.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244145385-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244145385-bib-0001">1 J. L. Wilkinson, A. B. A. Boxall, D. W. Kolpin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2022, 119, e2113947119</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0002">2 A. Bouzas-Monroy, J. L. Wilkinson, M. Melling, A. B. A. Boxall, Environ. Toxicol. Chem. 2022, 41, 2008</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0003">3 M. Groß, Nachr. Chem. 2022, 70(1), 62</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0004">4 P. Horký, R. Grabic, K. Grabicová, B. W. Brooks et al., J. Exp. Biol. 2021, 224, jeb242145</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0005">5 M. Groß, Nachr. Chem. 2015, 63, 1186</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0006">6 E. Edsinger, G. Dölen, Curr. Biol. 2018, 28, 3136</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0007">7 A. Capaldo, F. Gay, M. Lepretti, G. Paolella et al., Sci. Total Environ. 2018, 640 und 862</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0008">8 T. Brodin, M. G. Bertram, K. E. Arnold et al., Nat. Sustain. 2024, 7, 949</li></ul>

Artikel

Pharmazeutika als Umweltproblem

Blickpunkt Anorganik

Werden bestimmte Materialien mit Licht bestrahlt, trennen sich in ihnen die Ladungen. Hält die Trennung lang genug, eignet sich das als Solarbatterie – ein Bauteil, das Sonnenenergie gleichzeitig verwertet und speichert. Nicht nur das: Manche der Substanzen können auch im Dunkeln Wasser spalten.Sonnenenergie ist eine nachhaltige Energiequelle, zumindest, wenn die Erdoberfläche der Sonne zugewandt ist. In der Nacht sieht es da im Wortsinn düster aus. Doch die Biologie nutzt Solarenergie rund um die Uhr: Bei Tag findet die Lichtreaktion der Photosynthese statt, bei Nacht arbeiten die dabei gebildeten chemischen Energieträger und Reduktionsmittel. Ähnlich verarbeiten neuerdings manche künstliche Materialien die Lichtenergie.<h2 type="main">Speichern statt nur einfangen</h2>Edmond Becquerel hat bereits im Jahr 1839 ein anderes Konzept entdeckt, mit dem sich Solarenergie umwandeln und nutzen lässt: den photovoltaischen Effekt. Strahlt die Sonne auf einen Halbleiter, regt Lichtenergie Elektronen in das Leitungsband an. Dabei entstehen Elektronen-Loch-Paare (<link href="#nadc20244142066-fig-0001">Abbildung 1) – und deren Trennung erzeugt elektrische Spannung. So generieren Photovoltaik-Anlagen Strom.<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/LEgc1ovSTqQ9lW6oiVvu"><figcaption><label>Abb.1: </label>Halbleiter und die Prozesse der lichtinduzierten Ladungstrennung in Elektron(e–)-Loch(h+)-Paare. Angeregte Elektronen lassen sich nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. V+ steht für Vakanz, M+ ist meist ein Alkalimetallkation.</figcaption></figure></figure>Die ladungsgetrennten Zustände im Aktivmaterial rekombinieren, daher beträgt deren Lebenszeit nur Nano- bis Millisekunden. Das bedeutet: ohne Licht kein Strom. Eine Photovoltaikanlage ist eben keine Batterie. Doch welche Möglichkeiten ergäben sich, wenn die Ladungstrennung in Materialien länger halten würde – Stunden oder gar Tage? Und sich Materialien mit Licht aufladen ließen?<h2 type="main">Getrennte Ladungen länger stabilisieren</h2>Zur Ladungstrennung sollte die Bandlücke der Materialien etwa so groß sein wie die Energie des Lichts. Die angeregten Elektronen und die damit verbundenen Löcher lassen sich auf verschiedenen Wegen lange stabilisieren: über Redoxreaktionen innerhalb des Materials, lokale Defekte im Gitter oder an der Oberfläche sowie durch besondere Zustände in der Bandstruktur. Darüber hinaus können Ladungsträger, häufig Löcher, aus dem Material entfernt werden. Das geht durch elektrochemische Reaktion an Elektroden oder durch chemische Reaktionen mit Elektronendonoren, die mit der Oberfläche in Kontakt kommen. Die entfernten Löcher fehlen zur Rekombination mit den Elektronen, wodurch die Elektronen länger stabilisiert sind.Die Ladung des Materials muss jedoch ausgeglichen bleiben. Das bewerkstelligen beispielsweise Alkalimetallionen, die dazu allerdings frei beweglich oder schwach gebunden sein müssen.1) Durch Lichteinstrahlung steigt die Konzentration und Mobilität der Ionen und dementsprechend die Leitfähigkeit (Optoionik), da das Licht die Ladungen trennt und die erzeugten Ladungsträger schwächer im Gitter gebunden sind.2) Weiterhin können Defekte oder strukturelle Vakanzen verhindern, dass Löcher und Elektronen rekombinieren, also sich gegenseitig auslöschen – das stabilisiert beispielsweise Elektronen langfristig im Festkörper.3)<h2 type="main">Titandioxid: weiß, schwarz oder bunt</h2>Titandioxid ist eines der bedeutendsten Materialien, das diese Eigenschaften erfüllt und folglich über lange Zeit lichtinduzierte Ladungen speichern kann, vor allem Elektronen.Wie seit 1972 bekannt ist, kann TiO2 Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.4) Dazu ist UV-Licht nötig, das einige TiIV-Ionen zu TiIII reduziert, wobei Teilchen in der Umgebung oxidiert werden; beispielsweise reagieren Oxidionen zu molekularem Sauerstoff (<link href="#nadc20244142066-fig-0002">Abbildung 2). Dadurch entstehen Sauerstofffehlstellen. Diese Stellen dienen entweder direkt als katalytisch aktives Zentrum, oder die freigewordenen Elektronen werden auf einen Cokatalysator wie Pt übertragen, der dann das Wasser spaltet.<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ayTo2zpcTeJshOibu8tr"><figcaption><label>Abb.2: </label>Strukturen und Bandmodelle lichtaktiver Halbleiter: TiO2 (links), Wolframbronze (Mitte) und Carbonitride (rechts). Nach Lichtanregung speichern die Verbindungen auf unterschiedliche Art Elektronen. Abbildung inspiriert von Lit. 22.</figcaption></figure></figure>Damit TiO2 die Sonnenergie möglichst effizient nutzt, sollte es sichtbares Licht absorbieren. Reines TiO2 hat jedoch eine Bandlücke von 3 – 3,2 eV, absorbiert also nur UV-Licht und nutzt so nur rund 5 Prozent der Sonnenenergie. Doch TiO2 lässt sich so modifizieren, dass es auch sichtbares Licht absorbiert.5) Zum Beispiel lassen sich strukturelle Defektstellen (Sauerstoffvakanzen) einbauen,6) und partiell reduziertes TiIII wird stabilisiert. Diese Modifikation entsteht, wenn TiO2 bei hoher Temperatur einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Dass das so veränderte TiO2 im sichtbaren Bereich absorbiert, zeigt sich an einer Blau- bis Schwarzfärbung des Materials. Die defektreiche Atomstruktur dieses TiO2-Materials ist bis heute schlecht verstanden, und die photokatalytische Aktivität ließ sich dadurch nicht so stark erhöhen wie erhofft.Statt TiO2 selbst sichtbares Licht absorbieren zu lassen, kann dies ein Farbstoff übernehmen, der an die Partikeloberfläche adsorbiert oder gebunden ist. Der Farbstoff wird mit sichtbarem Licht angeregt und überträgt Ladung oder Energie auf das Material. Dieses Prinzip nutzen Farbstoffsolarzellen mit TiO2 und organischen Farbstoffen.7)Mit Lichtabsorbern arbeitet auch die Photosynthese: Diese trennen in der Lichtreaktion die Elektron-Loch-Paare. Die freien Elektronen interagieren daraufhin mit Cokatalysatoren in einer photokatalytischen Reaktion und spalten so Wasser. Die Teile des Wassers wandern in das Nicotinamidadenindinukleotid NADH/H+ – frei werden Adenosintriphosphat (ATP) und Sauerstoff. In der Nacht nutzen die Zellen NADH/H+ als chemisches Reduktionsmittel und ATP als Energieträger in ihrer Dunkelreaktion. Dabei wird CO2 reduziert, und so werden Kohlenhydrate aufgebaut. Für diesen Prozess müssen Zellen Lichtenergie als chemische Energie speichern und umwandeln.<h2 type="main">Bronzen ohne Kupfer</h2>Eine weitere Stoffklasse, die Ladung aus Licht erzeugen und stabilisieren kann, sind Wolframbronzen. Bronzen heißen sie, weil sie metallisch aussehen und elektrisch leitfähig sind. Sie sind nichtstöchiometrische Verbindungen der Formel MxWOn; bekannt sind vor allem die, bei denen M für Alkalimetallionen steht. Je nach Zusammensetzung unterscheiden sich die Strukturen. Auch bei den Wolframbronzen erzeugt das Licht eine Ladungstrennung, woraufhin Wolfram teilweise reduziert wird.Die Löcher verschwinden wie bei TiO2 – sie reagieren mit umliegenden Molekülen oder setzen O2 aus dem Gitter frei. Die eingelagerten Alkalimetallionen wandern und neutralisieren so die stabilisierten Elektronen.<h2 type="main">Photoaktive Festkörper ohne Metall</h2>Carbonitride sind ein weiteres lichtaktives Material.8,9) Herstellen lassen sie sich beispielsweise aus Harnstoff oder Stickstoff-Kohlenstoff-Heterocyclen. Alkalimetalle wie Kalium sorgen durch Ladungsausgleich dafür, dass das gelbe Carbonitrid Kalium-Poly(heptazinimid)(K-PHI)-Elektronen stabilisiert – vorausgesetzt, ein Elektronendonor ist anwesend (Abbildung 2). Unter Sauerstoffausschluss bleiben die Ladungen tagelang getrennt. Das „lichtgeladene“ Material nimmt ein kräftiges Blau an, ähnlich wie das modifizierte TiO2. Um Elektronen zu stabilisieren, müssen nicht nur Löcher entfernt sein, sondern Kationen müssen durch das Material wandern, um die Ladung des lokal gespeicherten Elektrons auszugleichen.10)PHI-Systeme sind Halbleiter; sie katalysieren zusammen mit Cokatalysatoren wie Pt unter Lichtbestrahlung viele Reaktionen, darunter Wasserspaltung und Reduktion von CO2.9)<h2 type="main">Eingesperrte Moleküle</h2>Es gibt Materialien, die Aspekte oxidischer Halbleiter und organischer Farbstoffe vereinen: metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs).Manche MOFs enthalten mehrkernige Titan-oxo-Cluster, die mit Carboxylatliganden vernetzt sind. Sie färben sich blau, wenn sie bestrahlt werden und ein Elektronendonor anwesend ist. Die Farbe kommt ähnlich wie bei TiO2 daher, dass TiIV zu TiIII reduziert wird, welches sichtbares Licht absorbiert. Im MOF lässt sich durch die Auswahl der organischen Linker einstellen, Licht welcher Wellenlänge das MOF absorbiert und wie effizient: Dazu werden die Carboxylatliganden funktionalisiert.11)In anderen MOFs lässt sich die Ladungen auch über die Liganden speichern. Besonders interessant ist hier das Dicarboxylat in Lehns Re-Bipyridin-Komplex ([Re(bpy)(CO)3Cl]). Nachdem dort die Ladung photochemisch getrennt worden ist, stabilisiert dieser molekulare Baustein Elektronen in Form eines bpy-Radikals oder katalysiert Reaktionen wie die Reduktion von CO2 zu CO.Die Geometrie des molekularen Komplexes in Lösung ist für die Katalyse nicht optimal. Sie lässt sich aber ändern, indem der Komplex in eine Al- oder Zr-basierte Gerüstverbindung eingebaut wird (<link href="#nadc20244142066-fig-0003">Abbildung 3).12) Außerdem isolieren die inerten Knotenpunkte des Gerüsts die lichtgeladenen Komplexe und sorgen so für einen langlebigen Zustand. Wie neue Arbeiten zeigen, lässt sich dasselbe auch mit Mn-Komplexen in Al-basierten MOFs erreichen.13)<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/TXUmuHC3T4aCgWP165CH"><figcaption><label>Abb.3: </label>Lichtaktive metallorganische Gerüstverbindungen. Gespeichert wird die Ladung entweder im anorganischen Cluster (links) oder im (metall-)organischen Linker (rechts). Im linkerzentrierten System ist ein Komplex geometrisch stabilisiert, indem er in das Gerüst eingebaut wurde. ED = Elektronendonor.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Dunkle Photokatalyse, helle Batterie</h2>Damit sich lichtaktive Materialien direkt für die Photokatalyse nutzen lassen, müssen möglichst viele Photonen zu Ladungstrennungen führen; außerdem muss der angeregte Zustand zumindest für die reaktionsrelevante Zeit (Piko- bis Nanosekunden) stabil sein, sodass er nicht während des Katalyeszyklus zerfällt. Was passiert aber, wenn die Ladungstrennung deutlich länger stabilisiert wird – Minuten bis Tage? Dann lassen sich die stabilisierten Elektronen auch ohne Direktbestrahlung für elektrochemische oder katalytische Reaktionen nutzen.1) Diese „dunkle Photokatalyse“ spiegelt in gewisser Weise die Dunkelreaktion der Photosynthese wider.14) In der dunklen Photokatalyse agiert das lichtgeladene Material als Katalysator, als Reduktionsmittel oder beides.Bei allen genannten Materialien sind die lichtgeladenen Zustände katalytisch aktiv, benötigen jedoch oft einen Cokatalysator. Lichtgeladenes TiO2 etwa spaltet im Dunklen Wasser, wenn es mit Pt- oder Ag-Nanopartikeln versehen ist.15) Gleiches gilt für K-PHI-Systeme16) und Ti-MOFs mit Pt-Nanopartikeln11) als Cokatalysator.<h2 type="main">Die Solarbatterie</h2>In den genannten Systemen setzt Lichtbestrahlung Elektronen frei. Das ähnelt dem elektrischen Aufladen einer Batterie – auch dort werden Elektronen in das Material eingetragen. Wird dieser Mechanismus in eine photoelektrochemische Zelle eingebaut, lässt er sich für eine Solarbatterie nutzen – Solarzelle und Batterie in einem Bauteil.17) Diese setzt sich zusammen aus dem lichtaktiven Material, einer transparenten Photoelektrode, einem Elektrolyten und einer elektrochemischen Elektrode.18) Ist beispielsweise K-PHI das Aktivmaterial, kommt eine Schicht mit Lochleitern zum Einsatz. Die Lichtreaktion wird hauptsächlich durch Rekombination ineffizient. Die Lochleiter sorgen dafür, dass die Elektronen schnell von den Löchern getrennt werden, und Elektronen sowie Löcher werden getrennt stabilisiert.19) So ein Zelltyp lässt sich selbst in wässrigen Elektrolytsystemen betreiben.18) Die Kaliumionen in Elektrolyt und Elektrode, die zum Ladungsausgleich nötig sind, müssen mobil sein. Li-dotiertes TiO2 folgt dem gleichen Solarbatteriekonzept wie K-PHI.20) Insgesamt ist die Lichtabsorption der Solarbatterie weniger effizient verglichen mit Photovoltaik-Zellen, und die Geräte speichern weniger Strom als herkömmliche Batterien.<h2 type="main">Weniger effizient, also weniger gut?</h2>Warum also nicht einfach eine Photovoltaikzelle über Kabel an eine Li-Ionen-Batterie stecken? Der Vorteil der Solarbatterie liegt darin, flexibel Energie zu speichern und in einer einzigen Zelle zu transformieren (<link href="#nadc20244142066-fig-0004">Abbildung 4): Sie kann bei Sonnenbestrahlung sowohl als Solarzelle Geräte antreiben und ohne Nutzer als Batterie fungieren. Im Dunklen lässt sich die Zelle elektrisch entladen oder laden. Somit agiert eine Solarbatterie je nach Bedarf als Energieproduzent, Speichermedium oder eben beides gleichzeitig, und das in einem relativ kompakten und simplen Zellaufbau.21)<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3hd3otmVQiGs813KEcK1"><figcaption><label>Abb.4: </label>Aufbau einer photo-elektrochemischen Zelle, die als Solarzelle, als Solarbatterie oder als elektrochemische Batterie fungieren kann. Als lichtdurchlässige Elektroden dienen Glassubstrate mit indiumdotierter Zinnoxidschicht, als Aktivmaterial ein Carbonitrid (K-PHI) und als Lochspeicher Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS). Inspiriert von Lit. 21.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Dunkel ins Licht bringen</h2>Die aufgeführten und andere Materialien gehören zwar zu verschiedenen Stoffgruppen und werden unterschiedlich hergestellt, ihre Mechanismen bei Lichtbestrahlung ähneln sich jedoch.21) Wie die Mechanismen genau ablaufen, ist Teil der aktuellen Grundlagenforschung. Besonders die Rolle von Strukturdefekten in Halbleitern und die Stabilisierung aktiver Moleküle in Gerüstverbindugen bieten noch viele offene Fragen. Fraglich ist zum Beispiel, wie dort Lichtanregung und Ladungstransport zusammenspielen, und wo die Ladungen im Material wie vorliegen. Die genannten Konzepte der dunklen Photokatalyse und Solarbatterie zeigen einen interessanten Ansatz, diese Effekte zu nutzen.22) Bis heute sind die neuen Materialien weniger effizient als die etablierten. Das ließe sich aber angehen, wenn Defekte im Kristallgitter und auf der Oberfläche kontrolliert würden, wenn in Gerüstverbindungen molekulare Bausteine verbessert würden, vor allem aber wenn die Mechanismen besser verstanden würden. Wenn Forschende ihre Materialien zum Sonnetanken nach draußen legen, kriegen diese dann ja vielleicht auch ein bisschen Farbe.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Werden bestimmte Materialien mit Licht bestrahlt, trennen sich die Ladungen und können bis zu tagelang getrennt bleiben.Dazu gehören TiO2 und Carbonitride, und neuerdings verbessern Gerüstverbindungen die Lichtabsorption und Ladungstrennung.Die Technik nutzen Solarbatterien und manche Photokatalysatoren, die beispielsweise Wasser spalten.Die Beiträge zur Serie Blickpunkt Anorganik verfassen seit Juni 2024 im Wechsel Christina Birkel und Simon Krause.<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 lichtresponsiven porösen Materialien und Molekülen. Im Sommer bevorzugt er kühlen Schatten mit ein bisschen Sonne, aber ohne TiO2 im Hautschutz.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/O9ErqVo6RdyEyTl6vfJe"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142066-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142066-bib-0001">1 A. Rogolino, O. Savateev, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2305028</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0002">2 G. Y. Kim, A. Senocrate,; T.-Y. Yang, G. Gregori, M. Grätzel, J. Maier, Nat. Mater. 2018, 17, 445</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0003">3 A. Senocrate, E. Kotomin, J. Maier, Helv. Chim. Acta 2020, 103</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0004">4 A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0005">5 J. Schneider,M. Matsuoka, M. Takeuchi et al., Chem. Rev. 2014, 114, 9919</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0006">6 X. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science 2011, 331, 746</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0007">7 B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0008">8 Y. Takahashi, T. Tatsuma, Electrochem. Commun. 2008, 10, 1404</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0009">9 C. M. Pelicano, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406290</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0010">10 Z. Chen, A. Savateev, S. Pronkin et al., Adv. Mater. 2017, 29, 1700555</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0011">11 Y. Pan, J. Wang, S. Chen et al., Chem. Sci. 2022, 13, 6696</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0012">12 P. M. Stanley, F. Sixt, J. Warnan, Adv. Mater. 2022, 35, 2207280</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0013">13 S. Wu, P. M. Stanley, S. N. Deger, M. Z. Hussain, A. Jentys, J. Warnan, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202406385</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0014">14 V. W. Lau, D. Klose, H. 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Sci. 2023, 16, 1520</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0022">22 F. Podjaski, B. V. Lotsch, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003049</li></ul>

Materialien, die Sonne tanken

Sind Festkörper einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, passiert nichts bis sehr viel – abhängig von Form und Eigenschaften der Substanz. Festkörper, die sich effizient erwärmen, sind für die anorganische Chemie besonders spannend. Was geschieht beim Bestrahlen, wo liegen die Schwierigkeiten und wofür lassen sich die Prozesse nutzen?Dass elektromagnetische Strahlung Lebensmittel erwärmt, wurde durch Zufall während des zweiten Weltkriegs entdeckt. Ein Schokoriegel schmolz in der Hosentasche eines Ingenieurs der Firma Raytheon, der an einer Radaranlage arbeitete. Daraufhin patentierte die Firma die Technik und brachte den ersten Mikrowellenreaktor auf den Markt – ein menschhoher Koloss, der eine Dritteltonne wog. 20 Jahre später waren die ersten Haushaltsmikrowellenöfen mit ähnlichem Design wie heute verfügbar; Ende der 1960er noch zu einem Preis, der heute 4000 US-Dollar entspricht.Auch in organisch-chemischen Syntheselaboren sind Mikrowellenreaktoren verbreitet. Sie beschleunigen zum Beispiel organische Reaktionen wie C-C-Kupplungsreaktionen und dienen dazu, Nanopartikel in Lösung herzustellen.1–5) Diese Prozesse funktionieren, weil die Mikrowellenstrahlung mit Lösungsmitteln koppelt, die ein Dipolmoment besitzen – im einfachsten Fall Wasser in Lebensmitteln – und sie dadurch erwärmt.Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung liegt zwischen 1 und 100 GHz (300 – 3 mm Wellenlänge). Die meisten Mikrowellenreaktoren arbeiten bei 2,45 GHz (12,2 cm) und übertragen nicht genug Energie, um chemische Bindungen zu brechen.Die elektromagnetische Strahlung besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Teil. Typischerweise ist allerdings nur das elektrische Feld wichtig zum Heizen: An diesem richten sich die Dipole und Ionen der Probe aus. Da das Feld oszilliert, wechseln die Dipole und Ionen immer wieder ihre Orientierung. Das führt zu Molekularreibung und Dielektrizitätsverlust. Dabei wird Energie in Form von Wärme frei.Der dielektrische Verlustfaktor tan d gibt die Fähigkeit an, Mikrowellenstrahlung in Wärme umzuwandeln. Je höher der Verlustfaktor, desto effizienter ist der Heizeffekt der entsprechenden Substanz.3) Für Lösungsmittel gibt es Tabellen mit diesem Wert.<h2 type="main">Festkörper mit Mikrowellen bestrahlen</h2>Was genau geschieht im Festkörper?6) Generell wechselwirken sie mit Mikrowellen(MW)strahlung auf eine von drei Arten (<link href="#nadc20244142064-fig-0001">Abbildung 1): MW-transparente Stoffe sind durchlässig und heizen wenig bis gar nicht auf, beispielsweise Silika; MW-reflektierende Stoffe wie CDs sind undurchlässig, hier kommt es häufig zu Funken oder Plasmaeffekten; MW-absorbierende Stoffe wie Graphit koppeln stark mit der MW-Strahlung und erwärmen sich effizient.<figure xml:id="nadc20244142064-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Hu86P5jS3uoLQRo3bM3V"><figcaption><label>Abb.1: </label>Wie Mikrowellenstrahlung mit Festkörpern wechselwirkt: Absorbierende Stoffe erhitzen sich, transparente heizen sich höchstens leicht auf, reflektierende erzeugen Funken oder Plasma.</figcaption></figure></figure>Ausgehend von den drei Klassen an Festkörpern werden die Vorgänge allerdings komplexer: Unterschiedliche Prozesse dominieren den Verlustfaktor tan d. Zum Beispiel hängt dieser davon ab, ob der Stoff ein elektronischer oder ionischer Leiter ist oder ein Isolator. Ob die Probe in Stücken, als Granulat oder feines Pulver vorliegt, beeinflusst tan d ebenfalls.Außerdem ist der Verlustfaktor temperaturabhängig: Manche Festkörper absorbieren MW-Strahlung erst bei hohen Temperaturen, wodurch ihre Temperatur plötzlich sprunghaft steigen kann. Verschiedene Oxide können sich daher radikal unterschiedlich verhalten: SiO2 erwärmt sich kaum, wenn es Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist. NiO und Cr2O3 erwärmen sich stärker – die Temperatur von Cr2O3 steigt plötzlich stark, da mit höherer Temperatur auch sein dielektrischer Verlustfaktor steigt.7)<h2 type="main">Metalle im Mikrowellenofen</h2>Metallgegenstände sollten nicht der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden, da sie die Strahlung reflektieren und Funken entstehen können. Das liegt daran, dass die Strahlung kaum in das Material eindringt. Das führt zu großen Feldgradienten und daraufhin zu elektrischen Entladungen, die als Funken sichtbar sind.Diese Effekte sind für Metallpulver unerheblich. Wie vor mehr als 30 Jahren festgestellt wurde, absorbieren Metallpulver Mikrowellenstrahlung und erhitzen sich in Minuten auf mehr als 1000 °C.8) Das liegt hauptsächlich am dielektrischen Heizen aufgrund der freien Ladungsträger.Auch andere Substanzen erwärmen sich stark durch Mikrowellenstrahlung: In ionischen Verbindungen, etwa Ionenleitern, tragen Ionenströme zum Erwärmen bei; die Strahlung regt schwache sekundäre Bindungen in Festkörpern wie Graphit an und heizt die Substanz so auf. Oft werden Reaktionsmischungen deshalb in Graphit eingebettet. Sie erwärmen sich dann von innen, wenn die Edukte mit der MW-Strahlung koppeln, und von außen durch das Suszeptormaterial Graphit.<h2 type="main">Synthese im Mikrowellenofen</h2>Unter den Produkten von Festkörperreaktionen sind Oxide, Chalkogenide, intermetallische Verbindungen sowie Carbide und Nitride. Protokolle und -vorschriften zur Synthese anorganischer Festkörper im Mikrowellenofen fasst Literatur 9 zusammen.Nachdem die Produkte im Mikrowellenofen reagiert haben, werden sie danach oft noch einmal Stunden bis Tage in einem Ofen erhitzt, damit sie möglichst optimal geordnet oder kristallin werden. Das ist besonders oft dann nötig, wenn leichte Fehlordnungen oder amorphe Bestandteile die Eigenschaften verschlechtern.<link href="#nadc20244142064-fig-0002">Abbildung2 zeigt die komplette Synthese. Zunächst werden die Edukte vermischt, entweder manuell mit einem Mörser oder automatisiert mit einer Kugelmühle, in der die Edukte bereits reagieren können. Das Mischen bringt die festen Reaktionspartner dazu, untereinander zu diffundieren. Die Ausgangsstoffe wandern dann entweder in einen Aluminatiegel oder für Reaktionen unter Inertbedingungen in eine unter Vakuum verschlossene Ampulle aus Quarzglas, das Mikrowellenstrahlen nicht absorbiert. Diese wird entweder direkt in den Mikrowellenofen hineingestellt oder davor in ein Suszeptormaterial eingebettet. Werden Reaktionstemperaturen weit über 500 °C erwartet, sitzt der Versuchsaufbau in einem temperaturstabilen Gehäuse, um die Innenwand des Mikrowellenofens vor zu großer Hitze zu schützen.<figure xml:id="nadc20244142064-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/DmfoRXcqRDuocjQFjBOD"><figcaption><label>Abb.2: </label>Synthese im Mikrowellenofen: 1) Die Ausgangsstoffe werden miteinander vermahlen. 2) Das Reaktionsgemisch wird zu einem Pressling verdichtet. 3) Der Pressling wird in einen Tiegel oder eine evakuierte Ampulle überführt und in ein thermisch isoliertes Gehäuse gesetzt. 4) Im Mikrowellenofen läuft die Reaktion ab.</figcaption></figure></figure>Mit Haushaltsmikrowellenöfen wurden schon Festkörper hergestellt, allerdings sind sie weder feuer- noch explosionssicher. Labormikrowellenöfen sind sicherer, haben einen größeren Innenraum und Leistung bis 1800 W. Nach der gewünschten Reaktionszeit wird das Produkt entweder langsam im Ofen abgekühlt oder abgeschreckt. Ein optisches Pyrometer zeichnet die Temperatur während der Reaktion auf. Dabei soll die Temperatur des Suszeptors gemessen werden, da dessen Emissionskoeffizient bekannt ist und in das Pyrometer eingegeben wird. Wird die Temperatur des Reaktionsgemischs direkt gemessen, ist die Messung mit einem größeren Fehler behaftet, da der Emissionskoeffizient eines sich ändernden Gemischs sich nur abschätzen lässt. Wird ein Suszeptor wie Graphit-Granulat verwendet, variieren Heizrate und finale Temperatur abhängig von der Mikrowellenleistung. Je höher die Leistung, desto höher Heizrate und Reaktionstemperatur – der Suszeptor erreicht Temperaturen über 1000 °C.<h2 type="main">Dem Mikrowelleneffekt auf der Spur</h2>Seit Jahrzehnten wird diskutiert, ob es einen „Mikrowelleneffekt“ gibt – bewirkt die elektromagnetische Strahlung Effekte, die über das Heizen hinausgehen?Experimente dazu sind schwierig: Es ist schwer, den Heizeffekt von einem möglichen Mikrowelleneffekt zu trennen, da beides simultan abläuft. Außerdem sind Methoden rar, die in die Reaktionen und Abläufe während der Interaktion der Substanzen mit der Mikrowellenstrahlung blicken.Ein im Jahr 2023 entwickelter Aufbau verspricht nun Einblicke:16)Ein Ramanspektrometer sammelt sekündlich spektroskopische Daten während des Heizens unter Mikrowellenbedingungen. So werden chemische Prozesse mit präziser Zeitauflösung verfolgt. Ein zweiter Ofen, der in den Strahlengang des Ramanspektrometers eingesetzt werden kann, liefert die entsprechenden Daten unter Heizbedingungen ohne Mikrowellenstrahlung.Dadurch lässt sich zum Beispiel vergleichen, bei welchen Temperaturen die chemischen Reaktionen auftreten oder welche Zwischenprodukte sich bilden. Ramanspektroskopie eignet sich auch für amorphe Spezies. Damit lassen sich auch Reaktionen untersuchen, die wegen niedriger Reaktionstemperaturen keine kristallinen Verbindungen liefern.<h2 type="main">Phasenumwandlung von TiO2 als Modellsystem</h2>Mit Ramanspektroskopie wurde die Strukturänderung des Titandioxids Anatas zu Rutil aufgezeichnet (<link href="#nadc20244142064-fig-0003">Abbildung 3): links im normalen Ofen, rechts im Mikrowellenofen. Beide Fälle zeigen, wann sich die Struktur ändert. Das starke Signal bei 150 cm–1 (Anatas) verschwindet, wenn die Temperatur der Phasenumwandlung erreicht ist. Stattdessen sieht man zwei neue Signale bei etwa 400 cm–1 und 600 cm–1 (Rutil).<figure xml:id="nadc20244142064-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/94aDwTbbSVOayt8DCIvg"><figcaption><label>Abb.3: </label>In-situ-Ramanspektren der TiO2-Phasenumwandlung von Anatas (A) zu Rutil (R). a) Änderung der Absorption bei Erwärmung. Ofenheizen links, Mikrowellenheizen rechts. b) Vergrößerung der Ramanspektren nahe der Phasenumwandlungstemperatur.</figcaption></figure></figure>Der Prozess im Mikrowellenofen läuft demnach schneller als unter konventionellen Ofenbedingungen. Die blaue Kurve in Abbildung 3a zeigt den Temperaturverlauf, allerdings wird die Temperatur nur bei Durchführung mit dem Ofen mit einem Thermoelement gemessen. Im Mikrowellenofen lässt sich die Temperaturmessung mit diesem Aufbau nicht messen. Jedoch lässt sich die Temperatur auch durch Änderung von Signalposition, -breite oder beidem aus den Daten ermitteln – daran arbeitet die Gruppe aktuell.Prinzipiell ermöglicht der Aufbau, diverse Festkörper zu untersuchen, während sie entstehen oder sich umwandeln, sofern sie ramanaktiv sind. Um ein möglichst umfassendes Bild zu erhalten, sollten auch Ex-situ-Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden, auch wenn diese nur schnappschussartige Einblicke erlauben: Beispielsweise liefert Röntgendiffraktion Informationen zu Zusammensetzung und Struktur und Elektronenmikroskopie zu Morphologie sowie chemischer Zusammensetzung.In-situ-Ramanspektroskopie wird dafür sorgen, dass jede ramanaktive Spezies während des Heizens untersucht und identifiziert wird – mit Mikrowellen und konventionell.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Bestrahlung mit Mikrowellen lässt manche Festkörper kalt, andere erhitzen sich und ändern dabei ihre Phase oder reagieren mit anderen Reaktionspartnern.Das ist nicht neu, aber jetzt lässt sich sekundengenau klären, was dabei passiert.Damit ließe sich einem Mikrowelleneffekt auf die Spur kommen, der über das bloße Heizen hinausgeht.Die Beiträge zur Serie Blickpunkt Anorganik verfassen seit Juni 2024 im Wechsel Christina Birkel und Simon Krause.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Christina Birkel ist Professorin an der Arizona State University, USA, und Kooperationsprofessorin an der TU Darmstadt, wo sie das Gebiet der anorganischen Festkörper- und Materialchemie vertritt. Niels Kubitza hat im Jahr 2023 bei Birkel in Darmstadt promoviert und arbeitet seit Anfang es Jahres als Postdoktorand in einem Sonderforschungsbereich zu magnetischen Materialien, an dem Birkel beteiligt ist.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/SDTKb2gURO29ytjM5EhD"><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Ni4mH0GnSKytPM56E3gR"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142064-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142064-bib-0001">1 Gedye, R., Smith, F., Westaway, K., Ali, H., Baldisera, L., Laberge, L., Rousell, J., Tetrahedron Lett. 1986, 27, 279–282</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0002">2 Kappe, C. O., Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6250–6284</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0003">3 Dallinger, D. Chem. Unserer Zeit 2013, 47, 356–366.</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0004">4 Martina, K., Cravotto, G., Varma, R. S., J. Org. Chem. 2021, 86, 13857–13872</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0005">5 Saloga, P. E. J., Kästner, C., Thünemann, A. F., Langmuir 2018, 34, 147–153.</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0006">6 Kitchen, H. J., Vallance, S. R., Kennedy, J. L., et al., Chem. Rev. 2014, 114, 1170–1206</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0007">7 Rao, K. J., Vaidhyanathan, B., Ganguli, M., and Ramakrishnan, P. A., Chem. Mater. 1999, 11, 882–895</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0008">8 El Khaled, D., Novas, N., Gazquez, J. A., Manzano-Agugliaro, F., Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 82, 2880–2892</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0009">9 Levin, E. E., Grebenkemper, J. H., Pollock, T. M., Seshadri, R., Chem. Mater. 2019, 31, 7151–7159.</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0010">10 Birkel, A., Darago, L. E., Morrison, et al., Solid State Sci. 2012, 14, 739–745.</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0011">11 Biswas, K., Muir, S., Subramanian, M. A., Matr. Res. Bull. 2011, 46, 2288–2290</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0012">12 Birkel, C., Zeier, W., Douglas, J. et al., Chem. Mater. 2012, 24, 2558–2565</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0013">13 Hamm, C. M., Diop, L. V. B., Zhang, H., Gutfleisch, O., Birkel, C. S. Phys. Status Solidi C 2017, 14, 1700027</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0014">14 Hamm, C. M., Schäfer, T., Zhang, H., Birkel, C. S., Z. Anorg. Allg. Chem. 2016, 642, 1397–1401</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0015">15 Kubitza, N., Beckmann, B., Jankovic et al., Chem. Mater. 2024, 36, 1375–1384</li><li xml:id="nadc20244142064-bib-0016">16 Jamboretz, J., Reitz, A., Birkel, C.S., J. Raman Spectrosc. 2023, 54, 296</li></ul>

Festkörpersynthese im Mikrowellenofen

Mit Bio-Nanotechnik lassen sich zellähnliche Gebilde herstellen, die eine oder mehrere Funktionen lebender Zellen erfüllen. Neue Methoden versprechen jetzt Fortschritte auf dem Weg zu Kunstzellen, die lebendigen mehr ähneln als je zuvor.Wie Pasteur mit <link href="#nadc20244144090-fig-0001">seinen berühmten Experimenten zeigte, entsteht Leben nicht einfach aus unbelebter Materie. Aber einmal, vor vielleicht vier Milliarden Jahren, hat es doch geklappt – und wir verstehen bis heute nicht, wie das passieren konnte. Die Anhänger:innen der RNA-Welt kommen der Rekonstruktion eines selbstreplizierenden und evolvierenden Moleküls immer näher.1) Die Forschenden, denen die Hülle wichtiger ist als das Erbmaterial, versuchen derweil, Zellen künstlich herzustellen. Hier konkurrieren mehrere Ansätze, die eine oder mehrere Funktionen der lebenden Zelle nachahmen. Aber eine lebende Mikrobe ist auch hier nicht entstanden.2)<figure xml:id="nadc20244144090-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/tF9h5ZOwSpi1KzRXChos"><figcaption><label>Abb.1: </label>Zellartige Vesikel, gefüllt mit Myoglobin (oben) sowie Myoglobin und β-Galactosidase (unten).3)</figcaption></figure></figure>Jetzt soll eine neue Selbstassemblierungs-Methode helfen. Die haben Andrea Balluati und Nico Bruns an der TU Darmstadt zusammen mit Kollegen in der Schweiz und in Großbritannien entwickelt, um damit zellartige Vesikel zu erzeugen.3) Sie haben dazu mehrere Vorgehensweisen kombiniert, die seit einigen Jahren existieren. Die Polymerisations-induzierte Selbst-Assemblierung (Pisa) dient seit über zehn Jahren der Synthese von Vesikeln und Nanoreaktoren. Diese mikroskopisch kleinen Polymerkapseln setzen sich sich aus wasserlöslichen Bausteinen zusammen, wobei die wachsenden Polymere zunehmend hydrophob werden. Sie lassen sich in hoher Konzentration erzeugen – nicht trivial, da sie stattdessen auch zu einem unlöslichen Stoff aggregieren könnten –, und es ist einfach, andere Lösungsbestandteile dabei einzukapseln. Bei der gängigen ATRP-Methode (Atom Transfer Radical Polymerisation) sind allerdings die Anfangsbedingungen, etwa Temperaturen zwischen 50 und 100 °C, oft für empfindliche Biomoleküle ungeeignet.<h2 type="main">Enzymmethode mit Wasserstoffperoxid</h2>Die Arbeitsgruppen entwickelten deshalb eine neue enzymatisch gestartete Variante der Pisa-Methode, die sie bio-Pisa nennen. Andere Arbeiten hatten Meerrettich-Peroxidase als Startenzym verwendet, doch dieses benötigt Wasserstoffperoxid als Substrat, was wiederum manche Biomoleküle schädigt. Die Darmstädter Gruppe nutzt deshalb den Sauerstofftransporter Myoglobin. Dieses Proteinmonomer ist umfassend erforscht und wirkt beim biologischen pH-Wert von 7,4 als ATRPase, startet also die Radikalpolymerisation.Sie erzeugten mit dieser Methode sphärische Vesikel mit durchschnittlich 227 nm Durchmesser, also etwa der Größe von Bakterienzellen, und bezeichnen sie als Giant Unilamellar Vesicles (GUVs). Mit anderen Werten der Pisa-Parameter lassen sich auch wurmartige Mizellen herstellen, die unter bestimmten Umständen ein Gel bilden. Mit diesen Kapseln umhüllten die Forschenden biologische Moleküle, Partikel und Extrakte. Unter anderem bauten sie den kompletten Proteinbiosynthese-Apparat des Bakteriums Escherichia coli und Plasmide als genetisches Material ein. Auf diese Weise stellten sie in den künstlichen Vesikeln neue Proteine her, die deren Struktur oder Erscheinung nachweislich ändern: das fluoreszierende Protein mClover, das Strukturprotein Aktin zur Herstellung einer zytoskelettähnlichen Struktur und das Enzym Alkalische Phosphatase, das den Biomineralisierungsprozess in menschlichen Knochen nachahmt.Durch die Gene, die in den Kapseln abgelesen werden, wollen die Forscher das weitere Verhalten dieser Vesikel steuern. Sie planen derzeit, weitere Polymerisationsprozesse innerhalb der Vesikel zu starten, die dann die natürliche Zellteilung und damit die Vermehrung lebender Zellen imitieren könnten.Wichtig wäre zudem, Kanäle einzufügen, die bestimmte Moleküle selektiv aufnehmen – nämlich solche, die für diese Wachstumsprozesse nötig sind. Bisher enthalten die Vesikel nur die Stoffe, die bei ihrer Entstehung in der Lösung vorlagen und in die Kapsel eingeschlossen wurden oder in diese hineindiffundieren können.<h2 type="main">Tropfen in Bewegung</h2>Sich als Reaktion auf einen chemischen Reiz zu bewegen, ist ein wichtiges Merkmal von Lebensprozessen: vom intrazellulären Transport und Trennprozessen bis hin zur Chemotaxis von Mikroben und den koordinierten Bewegungen komplexer Organismen.Die Arbeitsgruppe von Paola Laurino am Okinawa Institute of Science and Technology in Onna, Japan, hat ein Modellsystem entwickelt, in dem enzymatisch aktive Tröpfchen sich chemotaktisch bewegen und damit zueinander finden.4) Die Tröpfchen enthalten vor allem das Protein Rinderserumalbumin, das als inert gilt und die Bedingungen im Zytoplasma einer lebenden Zelle simulieren soll. Der Motor der Tröpfchen ist das Enzym Urease, das Harnstoff abbaut und dabei Ammoniak erzeugt. Der aus dem Tröpfchen entweichende Ammoniak erzeugt einen pH-Gradienten und schwächt die Oberflächenspannung zwischen den flüssigen Phasen.Der Marangoni-Effekt führt zu Bewegung zwischen Bereichen verschiedener Oberflächenspannung, etwa bei einem mit Spülmittel angetriebenen Spielzeugboot. Der rund um die Tröpfchen frei werdende Ammoniak erhöht den pH-Wert und senkt die Oberflächenspannung auf allen Seiten gleichermaßen, also entsteht noch keine Bewegung. Sobald sich aber die alkalischen Umgebungen zweier Tröpfchen überlappen, spüren beide die Summe der Marangoni-Effekte und bewegen sich aufeinander zu. Da größere Tröpfchen mehr Ammoniak erzeugen, entsteht der Eindruck, dass sie die kleineren anziehen.Laurinos Gruppe zufolge könnten ähnliche chemotaktische Effekte bereits in der Ursuppe vor der Entstehung zellulären Lebens dazu beigetragen haben, dass chemisch aktive Tröpfchen zueinander fanden. Dadurch könnten sich sogar vor Entwicklung von Zellmembranen Stoffwechselnetzwerke räumlich organisiert haben, meinen die Forscher:innen.<h2 type="main">Protozellen</h2>Stephen Mann an der Universität Bristol, England, erforscht seit Jahren zellähnliche Gebilde, die er als Protozellen bezeichnet.5) Bei den neueren Arbeiten geht es oft um Steuerung und Kommunikation mit und zwischen solchen Protozellen, oft mit Blick auf mögliche Anwendungen in der Medizin oder Robotertechnik.In Angewandte Chemie berichtete Manns Arbeitsgruppe im Jahr 2023 über zwei separate Populationen von Protozellen und wie sie miteinander sowie mit der umgebenden Hydrogel-Matrix wechselwirken.6) Mit diesen Protozellen lässt sich teilweise nachahmen, wie sich Zellen in einem Organ oder Gewebe verhalten. Das könnte nützlich sein, um künstliche Organe zu entwickeln.In einem anderen Projekt war Mann ebenfalls beteiligt: Die Arbeitsgruppe von Molly Stevens am Imperial College London hat Lichtsignale benutzt, um Protozell-Populationen zu steuern. Außerdem verlieh sie ihnen ein oszillierendes Verhalten ähnlich dem zirkadianen Rhythmus bei Lebewesen,7) also ähnlich der Fähigkeit eines Organismus, physiologische Vorgänge auf eine Periodenlänge von etwa 24 Stunden zu synchronisieren. Die eine Sorte von Vesikeln wird durch grünes Licht aktiviert, das die Membran durchlässig macht. Dadurch kann das Substrat in die Vesikel eindiffundieren – es wird vom Enzym Esterase umgesetzt, was den pH-Wert senkt. Bei der anderen Sorte Protozellen aktiviert der niedrige pH-Wert das Enzym Urease (das ja Ammoniak produziert). Diese Vesikel wurden ebenfalls nach dem Pisa-Verfahren hergestellt. Die Ansäuerung aktiviert ein Pigment, das das grüne Licht absorbiert und damit der Aktivierung der Esterase-Protozellen in einer negativen Rückkopplung entgegenarbeitet. Denn in dem Maß, wie Ammoniak die Säure neutralisiert, wird die Membran wieder undurchlässig, und der Esterase geht das Substrat aus.Der gesamte Prozess wiederholt sich immer wieder; ein Zyklus ist 40 Minuten lang und wird gesteuert durch zehnminütiges Bestrahlen mit grünem Licht – ähnlich, wie unser zirkadianer Rhythmus mit dem Tageslicht synchronisiert ist.Nach Erwartung der Autor:innen werden solche mit Licht gesteuerten Nanoreaktoren künftig mit einem breiteren Spektrum von Enzymen entwickelt werden. Dies würde zu neuen Materialien mit lebensähnlichen Eigenschaften führen, die sich autonom assemblieren, bewegen und an die Umgebung anpassen.<h2 type="main">Der Autor</h2>Der promovierte Chemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://michaelgross.co.uk" target="_blank">michaelgross.co.uk</a><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Mit Polymerisationsprozessen innerhalb künstlicher Vesikel sollen natürliche Zellteilung und damit die Vermehrung lebender Zellen nachgeahmt werden.Ein Modellsystem mit enzymatisch aktiven Tröpfchen gibt Hinweise darauf, wie sich Stoffwechselnetzwerke in der Ursuppe räumlich organisiert haben.Mit künstlichen Protozellen lässt sich nachahmen, wie sich Zellen in einem Organ oder Gewebe verhalten.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244144090-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244144090-bib-0001">1 M. Groß, Chem. unserer Zeit 2021, 55, 153</li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0002">2 M. Groß, Nachr. Chem. 2015, 63, 1002</li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0003">3 A. Belluati, S. Jimaja, R. J. Chadwick et al., Nat. Chem. 2024, 16, 564</li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0004">4 M. Dindo, A. Bevilacqua, G. Soligo et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1021/jacs.4c02823">10.1021/jacs.4c02823</accessionid></li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0005">5 N. Gao, S. Mann, Acc. Chem. Res. 2023, 56, 297</li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0006">6 H. Taylor, N. Gao, S. Mann, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202300932</li><li xml:id="nadc20244144090-bib-0007">7 O. Rifaie-Graham, J. Yeow, A. Najer et al., Nat. Chem. 2023, 15, 110</li></ul>

Neue Wege zu künstlichen Zellen

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>

Poröse Flüssigkeiten

Muscheln gehören zu den weniger gut untersuchten Tierarten. Was wir bereits wissen: Es gibt vieles, was wir von ihnen und über sie lernen können, zum Beispiel zu Klebstoff, Optik und Lebenserwartung.Muscheln und ihre Schalen sind den Menschen seit Jahrtausenden nützlich: als Nahrungsmittel, Schmuck, Währung, Musikinstrumente. Sie erscheinen in berühmten Gemälden und Gebäuden. Dennoch hat die Wissenschaft diese Tiere, wie andere Wirbellose, lange vernachlässigt, und unser Wissen über diese Weichtiere hat beträchtliche Lücken. Wichtig und wirtschaftlich nützlich wäre es etwa, zu verstehen, wie <link href="#nadc20244143013-fig-0001">Muscheln unter Wasser an Objekten kleben – denn so lösen sie Biofouling aus und erhöhen den Energieverbrauch von Schiffen.<figure xml:id="nadc20244143013-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/jz4ADwTAQjKZlhneOPXc"><figcaption><label>Abb.1: </label>Diese Zeichnung einer Wandermuschel hebt den Byssus hervor. Zeichnung: Great Lakes Environmental Research Laboratory, National Oceanic and Atmospheric Administration (über Wikimedia Commons geteilt)</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Anbindung</h2>Einige Muschelarten wie Wandermuschel (Dreissena polymorpha) und Quagga-Dreikantmuschel (D. rostriformis bugensis) haben sich mit der Schifffahrt auf problematische Weise ausgebreitet. Nicht nur sie verankern sich mit einem faserigen Auswuchs, dem Byssus, an festen Substraten. Diesen Bindungsvorgang will man einerseits an vielen Stellen verhindern, andererseits aber auch in Anwendungen nachahmen, etwa in der Medizin.Eine der bemerkenswerten Eigenschaften dieses Bindemechanismus der Muscheln: Miesmuscheln (Gattung Mytilus) beispielsweise können ihre Byssusfäden innerhalb von Sekunden lösen und zurücklassen, um sich zum Beispiel innerhalb einer Muschelbank neu zu orientieren. Innerhalb weniger Stunden erzeugen sie dann neue. Die Arbeitsgruppe von Matthew Harrington an der McGill University im kanadischen Montreal hat jetzt den Mechanismus aufgeklärt, der das schnelle Loslassen ermöglicht.1)Die Arbeitsgruppe untersuchte mit mikro- und spektroskopischen Methoden die bemerkenswert starke Bindung zwischen dem lebenden Gewebe der Miesmuscheln und den Proteinfasern, die den Byssus bilden. Demnach ist der Stiel des Byssus in 40 bis 50 feine Lamellen geteilt, die einzeln in das Gewebe eingebettet sind. Diese Lamellen sind mit insgesamt rund sechs Milliarden feinsten Härchen (Cilia) verankert. Deren Haftung beruht auf Reibung, ähnlich wie bei den Cilia von Geckos, die ermöglichen, an der Decke entlang zu wandern.Wie können sechs Milliarden Härchen gleichzeitig loslassen? Einen Hinweis fanden Harrington und Mitarbeiter:innen in einem Paper aus dem Jahr 1995. Wie dieses zeigt, steuern Neurotransmitter wie Serotonin und Dopamin die Bewegung ähnlicher Cilia in den Kiemen von Muscheln.2) Harringtons Mitarbeiter:innen spritzten also ihren fest verankerten Muscheln Serotonin, was augenblicklich den Byssus freigab. Umkehren ließ sich das auch: Serotonin-Blocker verhindern die Freigabe.Diese Entdeckung könnte sich in der Medizintechnik als nützlich erweisen. Denn dort ist die stabile, aber reversible Anbindung inerter Strukturen, etwa von Implantaten, in lebenden Geweben wichtig. Auch für die zu entwickelnde regenerative Medizin, also die Wiederherstellung von Organen oder Gliedmaßen, könnte dieser Mechanismus nützlich sein.<h2 type="main">Wie sich ein Byssus bildet</h2>In einer anderen Publikation aus Harringtons Labor, die nahezu gleichzeitig erschien, untersuchte die Arbeitsgruppe, wie sich die Struktur des Byssus bildet. Das soll helfen, um Mittel gegen invasive Arten (Neobionten) wie der Wandermuschel und Quagga-Dreikantmuschel zu finden, die sich in Nordamerika unkontrolliert ausbreiten.3)Die Strukturuntersuchungen enthüllten Proteinfäden innerhalb des Byssus, die aus kristallinen β-Faltblatt-Strukturen bestehen. Diese sind bei Muscheln höchst unüblich und ähneln eher Spinnenseide. Die Muscheln bilden diese Strukturen, indem sie α-helikale Proteine verarbeiten – per Extrusion aus einer mikroskopischen Düse, ähnlich der Entstehung von Spinnenfäden. Diese Proteine stellt die Muschel als ungewöhnlich langkettige coiled-coil-Strukturen selbst her.Wie vergleichende genetische Untersuchungen nahelegen, haben die Muscheln die Gene für diese ungewöhnlichen Proteine vor mindestens 12 Millionen Jahren von einem gleichzeitig lebenden Bakterium übernommen (horizontaler Gentransfer). Diese Entdeckung eines neuen Klebemechanismus könnte das Erfolgsrezept sein, dass es der Familie der Dreikantmuscheln ermöglicht hat, sich auszubreiten.Solche Gentransfers kommen zwar nicht jeden Tag vor, aber auf den Zeitskalen der Evolution immer mal wieder. Als sie die klebrigen Proteine in der Schleimspur der Kieselalge Craspdostauros australis untersuchte, entdeckte die Arbeitsgruppe von Nicole Poulsen und Nils Kröger am B-Cube-Center for Molecular Bioengineering an der TU Dresden eine neue Proteinfamilie, die ebenfalls eine Domäne enthält, die von Bakterien erworben wurde.4)<h2 type="main">Kleben</h2>Vorherige Studien insbesondere aus der Arbeitsgruppe von Herb Waite an der University of California Santa Barbara haben sich bereits mit dem Klebstoff der Miesmuscheln beschäftigt – nicht zuletzt deshalb, weil die bisher verfügbaren Klebstoffe sich meist nicht unter Wasser anwenden lassen. Waites Arbeitsgruppe hatte die Rolle der Aminosäure l-3,4-Dihydroxyphenylalanin (Dopa) bei der Adhäsion entdeckt und untersucht – Dopa tritt als Vermittler zwischen Metallionen und den kleberelevanten Proteinen auf.5) Dies führte zu etlichen Versuchen, biomimetische Klebstoffe auf der Grundlage dieses Moleküls zu entwickeln. Um biologische Adhäsionsmechanismen technisch nachzuahmen, müssen diese einem Review Waites zufolge aber zunächst besser verstanden sein.6)Wie sich dieses Wissen erwerben lässt, zeigte Harringtons Gruppe, als sie die Sekretionsvesikel der Muschel Mytilus edulis isolierte und das Entstehen des Klebstoffs in vitro untersuchte.7) Die Experimente enthüllten einen komplexen Prozess von Phasentrennungen zwischen kondensierten Phasen. Diese Phasen enthalten unterschiedlich viel Protein und bilden miteinander chemische Quervernetzungen. Daraus entstehen die nanoporösen Strukturen des Klebematerials, die sich im Elektronenmikroskop beobachten lassen.<h2 type="main">Geheimnisse der Muscheln</h2>Abgesehen von der Adhäsionstechnik haben <link href="#nadc20244143013-fig-0002">Muscheln andere Tricks auf Lager, denen die Wissenschaft nur langsam auf den Grund kommt. So ist die langlebigste Tierart die Muschel Arctica islandica mit einer Lebensspanne von über 500 Jahren. Andere Muschelarten leben nur ein Jahr.<figure xml:id="nadc20244143013-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/jAinJIR7RWlbHhELd6nQ"><figcaption><label>Abb.2: </label>Die Wander- oder Zebramuschel (Dreissena polymorpha) breitet sich via Schiff weltweit aus. Dabei helfen ihr ihre Byssusfäden, mit denen sie sich an Schiffsrümpfen verankert. Foto: Luka / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Die Arbeitsgruppe von Mariangela Innello an der Universität Bologna hat vor kurzem die Genome von 33 Muschelarten studiert, um die Grundlagen dieser unterschiedlichen Lebenserwartungen zu entschlüsseln. Die Forschenden fanden ein Netz von 277 Genen, deren Wechselwirkungen vermutlich die Lebenserwartung beeinflussen.8) Darunter sind einzelne Gene, die bereits von Altersforschern untersucht wurden. Doch die Lektion, die es hier zu lernen gilt, ist wohl die: Wichtig scheint das Zusammenspiel zu sein, nicht ein einzelnes Gen.Die sesshaften Muscheln, etwa Miesmuscheln, haben keine Augen, aber die freischwimmende Jakobsmuschel – das sind mehrere Arten aus der Familie der Kammmuscheln (Pectinidae)) – hat gleich 200 davon. Diese sind in der Natur einzigartig, da sie das einfallende Licht nicht mit Linsen bündeln, sondern mit einem sphärischen Hohlspiegel.In der Astronomie werden Spiegel öfter verwendet, etwa um die Fernrohre und Teleobjektive kompakter zu gestalten. Aber im Nahbereich, dem das Sichtfeld der Jakobsmuschel entspricht, kennen wir solche Optiken noch nicht. Angeregt von den Augen der Jakobsmuschel entwickelten Fabian Voigt und Kolleg:innen an der Universität Zürich nun ein Mikroskop. Dessen Optik lässt sich in verschiedene physiologisch relevante Flüssigkeiten – wie Blut, Speichel, Lymphe, Galle, Cytoplasma oder im Labor Zellextrakte – eintauchen und liefert durch die Spiegeloptik auch in dieser Umgebung korrekte Bilder.9)Der promovierte Chemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://michaelgross.co.uk" target="_blank">michaelgross.co.uk</a><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Muscheln verankern sich an festen Substraten mit einem faserigen Auswuchs. Diesen können sie binnen Sekunden lösen, indem sie Neurotransmitter ausschütten.Der Klebstoff mancher Muscheln entsteht, indem sich kondensierte Phasen trennen und miteinander quervernetzen. Der Prozess ist noch nicht gut genug verstanden, um ihn nachzuahmen.Manche Muscheln werden 500 Jahre alt, andere nur ein Jahr. Woran das liegt, sollen Genomuntersuchungen zeigen.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244143013-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244143013-bib-0001">1 J. Sivasundarampillai , L. Youssef, T. Priemel et al., Science 2023, 382, 829–834</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0002">2 R. Beiras, J. Widdows, Mar. Biol. 1995, 122, 597–603</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0003">3 M. Simmons, N. Horbelt, T. Sverko et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2023, 120, e2311901120</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0004">4 J. Zackova Suchanova, G. Bilcke, B. Romanowska et al., New Phytol. 2023, 240, 770–783</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0005">5 T. Priemel, G. Palia, F. Förste, Science 2021, 374(6564), 206–211</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0006">6 H. Waite, J. Exp. Biol. 2017, 220, 517–530</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0007">7 M. Renner-Rao, F. Jehle, T. Priemel et al., ACS Nano 2022, 16, 20877–20890</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0008">8 M. Iannello, G. Forni, G. Piccinini et al., Genome Biol. Evol. 2023, 15, evad159</li><li xml:id="nadc20244143013-bib-0009">9 F. F. Voigt, A. M. Reuss, T. Naert et al., Nat. Biotechnol. 2023, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41587–023–01717–8">10.1038/s41587–023–01717–8</accessionid></li></ul>

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