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Nr. 93, 27.01.2018  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Aus den Schatten lesen

Um chemische Reaktionen »live« zu beobachten, hat ein Team aus der Anorga­nischen Chemie einen Mini-Reaktor entwickelt. Bald wird der Reaktoraufbau im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) Forschenden aus aller Welt zur Verfügung stehen.


Niclas Heidenreich hat den etwa 20 Zentimeter hohen Behälter mitentwickelt, in dem er unter anderem ungewöhnliche Gerüstverbindungen aus Metallatomen und organischen Molekülen untersucht. Foto: Julia Siekmann

Ganz ungefährlich ist die Sache nicht, auch wenn »Reak­tor« in diesem Fall nichts mit Atomenergie zu tun hat: Der Name des etwa 20 Zentimeter großen Behälters geht auf die chemischen Reaktionen zu­rück, die ihn ihm unter genau festlegbaren Bedin­gun­gen ablaufen.

Sein Einsatz erfordert eine abgeschirmte Kammer mit dicken Eisentüren, denn immerhin arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei mit Röntgenstrahlen. Im Prinzip ähneln sie denen, die bei medizinischen Untersuchungen eingesetzt wer­den, um den menschlichen Körper zu durchleuchten.

»Die Strahlung, die wir nutzen, ist allerdings deutlich intensiver, mindestens eine Million Mal stärker«, er­klärt der Chemiker Niclas Heidenreich, der die Ent­wick­lung des Reaktors koordiniert hat. Der Behälter wird im Forschungszentrum DESY als Teil der Anlage PETRA III aufgebaut. Die weltweit brillanteste Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle steht damit in Norddeutschland.

Der 29-Jährige promoviert über die Entwicklung des Reaktors bei Professor Norbert Stock am Institut für Anorganische Chemie und wird seine Doktorarbeit in Kürze abschließen. Stock und seine Arbeits­gruppe interessieren sich besonders für MOFs (metal-organic frameworks), spezielle Gerüst­ver­bindungen aus Metallatomen und organischen Molekülen, die Hohlräume von bis zu fünf Nanometern bilden. »So entstehen extrem mikroporöse Materialien, ähnlich den Zeolithen. Durch ihre Poren können sie Gastmoleküle aufnehmen, die mit den umgebenden Wänden wechselwirken«, unterstreicht Stock ihre Besonderheit. Zeolithe werden zum Beispiel bei der Rohölraffinierung, in Katalysatoren von Dieselmotoren und als Wasserenthärter in Waschmitteln eingesetzt.

»MOFs besitzen mehrere Stellschrauben, mit denen sich ihr Aufbau und ihre Wechselwirkungen mit Gastmolekülen ändern lassen. Deswegen ist es für uns so interessant, diese Verbindungen möglichst gezielt herzustellen«, erklärt Heidenreich. In der Praxis bringt das allerdings einige Herausforderungen mit sich. »In der Regel kennen wir nur die Ausgangsbedingungen chemischer Reaktionen und ihr Ergebnis, das Produkt. Was währenddessen passiert, wissen wir nicht«,so der Chemiker weiter. Dabei können zahlreiche Faktoren die Synthese von MOFs beeinflussen, zum Beispiel die Reaktions­temperatur oder der dabei entstehende Druck.

Mit dem neuen Reaktor sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Lage, die Bildung dieser porösen Materialien und die Wechselwirkung der Moleküle mit den Porenwänden in Echtzeit präzise zu beobachten. Das heißt aber nicht, dass sie den chemischen Abläufen durch ein Fenster im Reaktor zuschauen können. Stattdessen beschießen sie ihn mit den intensiven Röntgenstrahlen und lesen die dabei entstandenen Daten am Computer aus. »Was wir so sehen, ist quasi wie ein Schatten, durch den wir Rückschlüsse ziehen können auf das, was vorher passiert ist«, erklärt Heidenreich.

Fast drei Jahre dauerte die Entwicklung des Reaktors. Einige Prototypen der Institutswerkstatt und zahlreiche Tests am DESY waren dafür nötig. Die Messplätze in Hamburg sind Tag und Nacht in Betrieb, Forschende aus aller Welt bewerben sich um die begehrten Nutzungszeiten. »Die Nähe zum DESY ist ein toller Standortvorteil für uns. So haben auch unsere Promovierenden und Studierenden die Gelegenheit, Messzeiten zu begleiten«, sagt Stock. Er und seine Arbeitsgruppe haben den Reaktor bewusst flexibel entwickelt für eine möglichst große Bandbreite an Experimenten. Um anderen Forschenden die Arbeit mit dem Reaktor zu erleichtern, schreibt Heidenreich zurzeit noch ein Handbuch, im Frühjahr sollen der Aufbau und wenig später auch die Doktorarbeit komplett fertig sein. Gleich vier Exemplare haben sie erstellt, um dann neben dem DESY auch den neuen Teilchenbeschleuniger MAXLAB IV im schwedischen Lund auszustatten.

Julia Siekmann
Internationales Verbundprojekt
Der Reaktor ist Teil des 2017 abgeschlossenen Projekts MATSynCELL. In dem deutsch-schwe­dischen Zusammenschluss untersuchten Forschende der CAU sowie der Universitäten Bochum, Stock­holm und Uppsala Materialien mithilfe von Synchrotron- und Neutronenstrahlung.

Das 2,5-Millionen-Projekt wurde im Rahmen des Röntgen-Ångström-Clusters finanziert vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung und dem schwedischen Forschungsrat.

www.matsyncell.uni-kiel.de
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