Metall-organische Gerüste (MOFs) gelten als Wundermaterialien der modernen Chemie. Es handelt sich dabei um poröse Strukturen, die aus Metallionen (oder -clustern) und organischen Verbindungsmolekülen aufgebaut sind – ähnlich wie ein molekulares Gerüst. Dank ihrer hohen Porosität und grossen Oberfläche können MOFs grosse Mengen an Gasen speichern, chemische Reaktionen beschleunigen oder auch Medikamente gezielt transportieren. Bisher wurde vor allem der Einsatz starrer 3D-Kristallen untersucht, die jedoch Grenzen bezüglich Flexibilität und Skalierbarkeit besitzen.

Reaktion an der Grenzfläche
Forschende um die Professoren Dr. Patrick Shahgaldian (Hochschule für Life Sciences FHNW) und Dr. Jonathan De Roo (Departement Chemie, Universität Basel) haben nun erstmals eine einzelne stabile Nanoschicht des bekannten MOFs UiO-66 hergestellt.

Sie verwenden dazu vorgefertigte Metall-Sauerstoff-Bausteine (Zirkonium- und Hafnium-Oxo-Cluster) und organische Moleküle mit wasserabweisenden Ketten. Diese bringen sie auf Grenzflächen zwischen Luft und einer Flüssigkeit (Wasser oder DMF) auf. Die Cluster lösen sich in der Flüssigkeit auf, während sich die organischen Moleküle auf der Oberfläche verteilen und schwimmen. «Durch chemische Bindungen organisieren sich die Bausteine dann selbst zu einer geordneten, nur 3 Nanometer dicken flexiblen Schicht an der Grenzfläche», beschreibt Dr. Ajmal Roshan Unniram Parambil, Erstautor der Studie, der die Arbeiten im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Doktorandenschule des Swiss Nanoscience Institutes an der Universität Basel durchgeführt hat.

Diese ultradünnen Schichten sind besonders interessant für Anwendungen wie Sensoren, Katalysatoren oder Membranen, da sie eine bessere Zugänglichkeit der aktiven Metallzentren bieten und sich leicht in bestehende Technologien integrieren lassen. «Zudem benötigen wir bei der Herstellung keine giftigen Lösungsmittel oder hohe Temperaturen – ein entscheidender Vorteil für nachhaltige Produktionsverfahren», bemerkt Patrick Shahgaldian.

«Diese Arbeit zeigt, dass wir komplexe Nanostrukturen wie MOFs wie ein Legosystem zusammenbauen können – und das nicht mehr nur als starre Kristalle, sondern als flexible, funktionale Schichten. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaft und deren Anwendung», fasst Jonathan de Roo zusammen.