Was sind metallorganische Gerüste (MOF)?

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh den Nobelpreis für Chemie 2025 an Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi für ihre wegweisende Forschung zu metallorganischen Gerüsten (MOFs). Doch was genau sind MOFs? Und warum sind sie einen Nobelpreis wert?

MOFs (metallorganische Gerüste) sind kristalline Pulver, die mit winzigen, molekülgroßen Poren durchsetzt sind. Sie besieren eine einzigartige Struktur: ein poröses Netzwerk, in dem Metallknoten über organische Linker verbunden sind. Wenn man ein Gramm MOF nimmt und seine innere Oberfläche entfalten würde, könnte man eine Fläche bedecken, die größer als ein Fußballfeld ist. Aufgrund ihrer hochgradig anpassbaren Struktur und außergewöhnlichen Porosität haben sie großes Forschungsinteresse in der Materialwissenschaft und Chemie geweckt.

Grundlegende Bestandteile von MOFs

Die Struktur von MOFs kann als molekulares “Gerüst” verstanden werden, für dessen Aufbau zwei Kernkomponenten benötigt werden:

1. Metallknoten: Dabei handelt es sich um Metallionen oder kleine Cluster aus Metallatomen, die als Stütz- oder Verbindungspunkte der Struktur dienen. Häufig verwendete Metalle sind Zink, Kupfer, Eisen, Chrom und Zirkonium.

2. Organische Linker: Dies sind starre organische Moleküle, die häufig mehrere funktionelle Gruppen (wie Carboxyl- oder stickstoffhaltige Gruppen) enthalten, die eine Koordination mit den Metallknoten ermöglichen. Sie fungieren als “Pfeiler” oder “Träger”, die die Metallknoten verbinden.

Durch die Auswahl verschiedener Metallknoten und organischer Linker sowie die Kontrolle der Synthesebedingungen können Forscher MOF-Materialien mit unterschiedlichen Porengrößen, Kanälen und chemischen Eigenschaften gezielt entwerfen und herstellen.

Haupteigenschaften von MOFs

Das große Interesse an MOF-Materialien ergibt sich hauptsächlich aus folgenden Schlüsseleigenschaften:

• Extrem hohe spezifische Oberfläche: MOFs gehören zu den Materialien mit der höchsten bekannten spezifischen Oberfläche. Der innere Oberflächenbereich eines Teelöffels bestimmter MOF-Materialien kann die Fläche eines Fußballfeldes übertreffen. Dies bietet enormen Raum für Gasadsorption, Stoffbeladung und chemische Reaktionen.

• Hochgeordnete Kristallstruktur: MOFs sind kristalline Materialien, was bedeutet, dass ihre Atome und Moleküle im dreidimensionalen Raum regelmäßig und periodisch angeordnet sind. Dies ermöglicht Wissenschaftlern, ihre Struktur mithilfe von Techniken wie Röntgenbeugung präzise zu bestimmen.

• Einstellbare und funktionalisierbare Poren: Die Porengröße und chemische Umgebung von MOFs können durch Änderung der Metallknoten und organischen Linker präzise gestaltet und angepasst werden. Zusätzlich können die Porenwände nach der Synthese chemisch modifiziert werden, um bestimmte funktionelle Gruppen einzuführen und so die Materialeigenschaften maßzuschneidern.
  

Anwendungsbereiche von MOFs

MOFs eignen sich hervorragend zum Detektieren und Einfangen/Adsorbieren von Substanzen in geringsten Konzentrationen, zur Reinigung von Wasser oder Luft sowie zur Speicherung großer Energiemengen für bessere Batterien und Energiespeichergeräte. Wissenschaftler haben bereits über 88.000 maßgeschneiderte MOFs entworfen, deren Anwendungen von der Landwirtschaft bis zur Pharmazie reichen.

• Gasspeicherung und -trennung: MOFs können zur Adsorption und Speicherung von Energiegasen wie Wasserstoff und Methan eingesetzt werden. Sie können auch Gasgemische effizient trennen, beispielsweise die Abscheidung von Kohlendioxid aus Kraftwerksabgasen oder die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft.

• Katalyse: Die große Oberfläche und die designbaren aktiven Zentren machen MOFs zu exzellenten Katalysatoren. Metallknoten oder modifizierte organische Linker können als katalytische Zentren dienen, um chemische Reaktionen zu beschleunigen.

• Chemische Sensorik: Wenn bestimmte Moleküle in die Poren von MOFs eintreten, können sie physikalische Eigenschaften (wie Fluoreszenz oder Leitfähigkeit) verändern. Diese Veränderungen können zum Nachweis winziger Mengen von Gasen, Dämpfen oder Ionen genutzt werden.

• Arzneimittelverabreichung: Die poröse Struktur von MOFs ermöglicht die Beladung mit therapeutischen Wirkstoffmolekülen und eine kontrollierte Freisetzung unter spezifischen Bedingungen im Körper (wie pH-Wert-Änderungen), was die Wirksamkeit verbessert und Nebenwirkungen reduziert.
  

Zusammenfassung

Metallorganische Gerüste sind eine Klasse poröser kristalliner Materialien, die über Koordinationsbindungen aus Metallknoten und organischen Linkern aufgebaut sind. Ihr Kernwert liegt in der Designbarkeit der Struktur, der extrem hohen spezifischen Oberfläche und der einstellbaren Porenchemie. Diese Eigenschaften machen MOFs zu einer vielversprechenden Plattformmaterialklasse zur Bewältigung von Herausforderungen in den Bereichen Gasspeicherung, Trennung, Katalyse und Biomedizin. Weitere Informationen zu chemischen Materialien finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).