Verfahrenstechnik 4/2022

VERFAHRENSTECHNIK IM ALLTAG I SERIE
Moleküle sieben
Natürliche Öffnungen im Kristallgitter technisch nutzen
Forschenden aus Bielefeld, Bochum und Yale ist es gelungen, eine
Schicht aus zweidimensionalem Siliziumdioxid herzustellen. Diese
enthält natürliche Poren und kann daher wie ein Sieb für Moleküle
und Ionen genutzt werden. Die Wissenschaft sucht schon seit
Längerem nach solchen Materialien, denn sie könnten etwa beim
Entsalzen von Meerwasser helfen oder in neuartigen
Brennstoffzellen zum Einsatz kommen.
Wenn zweidimensionale Materialien
mit hoher Präzision durchstochen
werden, kann man sie nutzen, um bestimmte
Ionen oder Moleküle auszusieben.
Forschende haben immer wieder
versucht, das aus Kohlenstoff-Atomen bestehende
Material Graphen für diesen
Zweck zu verwenden. Da es keine natürlichen
Poren besitzt, müssen diese künstlich
eingefügt werden. Aber es ist schwierig,
Löcher mit definierter Größe in
Graphen zu erzeugen, ohne das Material
nachhaltig zu schädigen, da es leicht
bricht. Folglich galt es, eine Alternative zu
finden. Nun hat sich ein Forschungsteam
die Tatsache zunutze gemacht, dass das
Autorin: Dr. Julia Weiler, Dezernat Hochschulkommunikation,
Ruhr-Universität Bochum
Kristallgitter von zweidimensionalem Siliziumdioxid
Öffnungen besitzt.
„Siliziumdioxid hat natürlicherweise eine
sehr hohe Dichte an winzigen Poren,
die man in künstlichen Membranen nicht
erzeugen könnte“, sagt Petr Dementyev
von der Bielefelder Arbeitsgruppe Physik
supramolekularer Systeme und Oberflächen.
„Im Unterschied zu Graphen sind
die Poren alle nahezu gleich groß. Und es
sind so unglaublich viele, dass sich das
Material wie ein feinmaschiges Sieb für
Moleküle verhält.“
Die Herstellung ist aufwändig
2D-Siliziumdioxid ist bereits seit 2010 bekannt.
Seine Herstellung war allerdings
sehr teuer und nur in kleinem Maßstab
möglich. Forschende aus Bochum, Biele-
feld und Yale brachten Expertise aus der
Materialchemie, dem chemischen Engineering
und der chemischen Physik zusammen,
um einen neuen Herstellungsprozess
zu erarbeiten. Sie nutzten die sogenannte
Atomic Layer Deposition, um eine
einzige Lage Siliziumdioxid auf einer
Goldoberfläche abzuscheiden.
Durch ein Hochdruckverfahren überführten
die Forschenden die Lage in ihre
zweidimensionale Form und charakterisierten
sie dann spektroskopisch und mikroskopisch
im Detail. Anschließend untersuchten
sie den Gasfluss durch die 2D-
Membran in einer Vakuumkammer.
Während verdampftes Wasser und verdampfter
Alkohol die Siliziumdioxid-
Schicht durchdringen konnten, wurden
die Gase Stickstoff und Sauerstoff zurückgehalten.
„Materialien wie dieses mit selektiver
Durchlässigkeit sind in der Industrie
sehr gefragt“, sagt Prof. Dr. Anjana Devi
von der Ruhr-Universität Bochum. Bevor
das 2D-Siliziumdioxid in der Praxis
zum Einsatz kommen kann, gilt es jedoch,
genau zu evaluieren, wie sich viele verschiedene
Moleküle an die Materialoberfläche
anlagern oder wie sie diese durchdringen
können.
Bild: RUB, AG Chemie Anorganischer Materialien
www.ruhr-uni-bochum.de
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