Poröses Material stößt Gasmoleküle unter Druck aus

Poröse Substanzen nehmen mehr Gas auf, wenn der Umgebungsdruck zunimmt. Über diese klassische, positive Gasadsorption kann etwa Kohlendioxid aus Kraftwerksabgasen abgetrennt werden. Nun entdeckte eine Forschergruppe ein neuartiges Material, das sich genau umgekehrt verhielt: Je höher der Druck, desto mehr Gas setzte die Substanz frei. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnte dieser Effekt einer negativen Gasadsorption für mikropneumatische Module, in Rettungssystemen wie Airbags oder in Trennverfahren genutzt werden.

Molekülmodell des extrem porösen Materials, bestehend aus grauen, blauen und roten Teilen
Negative Gasadsorption

„Wird der Druck erhöht, schleudert das Material bereits gefangene Gasmoleküle heraus“, sagt Stefan Kaskel von der Technischen Universität Dresden. Eigentlich suchten Kaskel und seine Kollegen eine neue poröse Substanz, die möglichst viel Methan speichern konnte, um als sicherer Tank für Gasautos zu dienen. Diese fanden sie in einem metallorganischen Netzwerk – DUT-49 genannt –, in dem sich große organische Molekülgruppen um Kupferatome anordneten. Bei Raumtemperatur funktionierte DUT-49 auch wie erwartet und konnte – unter 110 bar Druck gesetzt – in seiner extrem porösen Struktur mehr als 300 Gramm Methan pro Kilogramm Material aufnehmen.

Abgekühlt auf -162 Grad kam dann aber die Überraschung. Bei einem Druck von etwa 100 bar nahm DUT-49 kein Methan mehr auf, sondern setzte das bereits eingefangene Gas plötzlich frei. Die Folge war eine zusätzliche Druckerhöhung um 22 bar. Danach wiederholten Kaskel und Kollegen diesen Versuch mit Butangas. Dieses Gas wurde bei zunehmenden Druck sogar schon bei Raumtemperatur wieder ausgestoßen.

Mit Synchrotronstrahlung gingen die Forscher der Ursache für diese untypische, negative Gasadsorption auf den Grund. Dabei entdeckten sie, dass sich unter Druck die innere Struktur von DUT-49 fundamental wandelte. Das Material zog sich stark bis auf das halbe Volumen zusammen. Für die bereits gefangenen Gasmoleküle war danach kein Platz mehr und sie wurden schnell ausgestoßen. Dieser Effekt war reversibel, so dass sich bei niedrigerem Druck und höherer Temperatur wieder die ursprüngliche Struktur ausbildete.

„Denkt man dieses Phänomen konsequent weiter, so handelt es sich hier um Materialien, die selbstständig den Druck eines Gases verstärken können“, sagt Kaskel. Ähnlich einem Vulkaneffekt könne ein kleiner Anstoß eine starke Gaseruption aus einem derartigen Material auslösen. So kann sich Kaskel einige Anwendungen für diesen Effekt vorstellen. Kontrolliert ließe sich der Druck in Reaktionsprozessen durch mikropneumatische Module erhöhen, die bei Bedarf ihre gespeicherten Gasmoleküle herausschleudern. Es ist nicht ausgeschlossen, dass dieser Effekt auch zum Aufblasen von Schwimmwesten oder von Airbags genutzt werden könnte.