Eine neue Klasse hybrider Glaswerkstoffe vereint organische und anorganische Komponenten, was den Materialien ganz besondere mechanische Eigenschaften verleiht. Entwickelt wurden sie von Fordern der Universitäten Jena und Cambridge. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür Materialkombinationen, in denen metallorganische und anorganische Gläser chemisch verbunden sind.
In der Natur sind Verbundstoffe aus organischen und anorganischen Materialien häufig zu finden. Knochen beispielsweise bestehen aus dem organischen Strukturprotein Kollagen und dem anorganischen Mineral Apatit. Diese Kombination macht Knochen biegsam und fest zugleich, was durch nur einen Materialtyp allein nicht möglich wäre.
Bei der Herstellung von Hybridmaterialien mit besonderen Eigenschaften ist die Natur der technologischen Materialentwicklung aber noch weit überlegen; ähnlich funktionale Hybridmaterialien künstlich herzustellen, ist noch immer eine große Herausforderung.
Metallorganisches Netz als Grundgerüst für Glaswerkstoffe
Seit einigen Jahren interessierten sich Forscher zunehmend für Werkstoffe aus metallorganischen Netzwerken – so genannte MOF-Materialien. Diese können beispielsweise als Trennmembranen oder Speicher für Gase und Flüssigkeiten, als Träger für Katalysatoren oder für elektrische Energiespeicher eingesetzt werden. Der Vorteil der MOF-Materialien ist, dass ihre Gitterstruktur bis in den Größenbereich einiger Nanometer hinein genau eingestellt werden kann. Dadurch kann zum Beispiel eine Porosität erreicht werden, die an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann: Das gilt sowohl bezüglich der Größe der Poren und ihrer Durchströmbarkeit als auch hinsichtlich der chemischen Eigenschaften, die an den Porenoberflächen vorherrschen.
„Das chemische Design von MOF-Materialien folgt einem Baukastenprinzip, nach dem anorganische Teilchen über organische Moleküle miteinander zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden werden“, erläutert Louis Longley von der Universität Cambridge. Daraus ergebe sich eine große Vielfalt möglicher Strukturen, so der britische Forscher. Einige dieser Strukturen könnten durch Temperaturbehandlung in einen glasigen Zustand überführt werden. „Während klassische MOF-Materialien typischerweise in Pulverform vorliegen, ermöglicht der Glaszustand vielfältige Verarbeitungsformen des Materials.“
Chemische Verbindung mit anorganischem Glas bringt neue Eigenschaften hervor
„Indem wir MOF-abgeleitete Gläser mit klassischen, anorganischen Glaswerkstoffen kombinieren, können wir das Beste beider Welten miteinander verbinden“, sagt Courtney Calahoo vom Lehrstuhl für Glaschemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Sie führt aus, dass solche Kompositgläser deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen können als bisherige Gläser. Sie ermöglichen es, die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen mit der hohen Härte und Steifigkeit anorganischer Gläser zu verbinden.
Entscheidend dafür, dass die beteiligten Materialien nicht einfach nur miteinander gemischt werden, ist die Entstehung eines Kontaktbereichs, innerhalb dessen sich chemische Bindungen zwischen dem metallorganischen Netzwerk und dem herkömmlichen Glas ausbilden können. „Nur auf diese Weise können wirklich neue Eigenschaften erhalten werden, zum Beispiel in der elektrischen Leitfähigkeit oder der mechanischen Widerstandsfähigkeit“, erläutert der Glaschemiker Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek von der Universität Jena.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner für Fragen zu den neuen Materialien:
Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek
Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena
Fraunhoferstr. 6
07743 Jena
E-Mail: lothar.wondraczek@uni-jena.de
