de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Technischen Universität Graz (TU Graz) haben nachgewiesen, dass Dünnschichten aus metallorganischen Gerüststrukturen (MOF) eine völlig andere Struktur aufweisen als bisher angenommen. Die Studie an Kupfer-Terephthalsäure-Kupfer (Cu(bdc))-Dünnschichten widerlegt das zuvor weitgehend akzeptierte Strukturmodell.
Aufgrund ihrer hohen Porosität gelten MOFs als vielversprechende Materialien für innovative Anwendungen wie Gasspeicherung, CO₂-Abscheidung oder gezielte Wirkstoffabgabe; ihre Entdeckung wurde 2025 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Die Struktur von MOFs in einkristalliner Form ist relativ einfach zu bestimmen, doch die Struktur in Dünnschichten bleibt weitgehend ein Rätsel – dabei bestimmt die Struktur die Eigenschaften und potenziellen Anwendungen des Materials.
Ein Team unter der Leitung von Roland Resel und Egbert Zojer vom Institut für Festkörperphysik der TU Graz, gemeinsam mit Paolo Falcaro und seinen Kollegen vom Institut für Physikalische Chemie sowie Christof Wöll vom Karlsruher Institut für Technologie, veröffentlichte eine Arbeit in Advanced Functional Materials. Am Beispiel von Cu(bdc)-Dünnschichten zeigten die Forscher, dass alle zuvor vorgeschlagenen Strukturmodelle falsch sind, und bestimmten eine Struktur, die alle beobachteten Eigenschaften erklärt: Cu(bdc)-Dünnschichten sind tatsächlich nicht porös, sondern dicht gepackt und enthalten zusätzliche Hydroxylgruppen, die in den meisten früheren Modellen fehlten.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass viele der veröffentlichten Strukturmodelle für MOF-Dünnschichten falsch sind und neu bewertet werden müssen“, sagt Egbert Zojer. Dieser Fortschritt resultiert aus der Kombination komplexer quantenmechanischer Simulationen mit der an der Synchrotronstrahlungsquelle Elettra in Triest eingesetzten Methode der rotierenden Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (rotating-GIXD). Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden liefert rotating-GIXD ein nahezu vollständiges Bild des Kristallperiodizität, sodass das Team die atomare Struktur der Cu(bdc)-Dünnschichten ableiten konnte. In Kombination mit quantenmechanischen Simulationen und der durch Röntgenreflektometrie bestimmten Schichtdichte schlossen die Forscher eine Vielzahl zuvor in der Literatur vorgeschlagener Strukturen aus und enthüllten durch Simulationen die wahre Identität der Schicht.
Die nun ermittelte nicht-poröse Struktur erklärt, warum die Schicht kaum Gastmoleküle aufnehmen kann, warum sie eine ungewöhnlich hohe Stabilität gegenüber Wasser aufweist und warum sie magnetische Eigenschaften besitzt, die in den zuvor angenommenen Strukturen unmöglich wären. Die Struktur bestätigt zudem ihren ferromagnetischen Grundzustand, wodurch sich ihr Anwendungspotenzial hin zu physikalischen Phänomenen verschiebt, die möglicherweise in Sensoren, der Mikroelektronik oder magnetischen Speichersystemen relevant sind. Darüber hinaus enthält die Struktur Kupferoxidschichten, die denen in Hochtemperatur-Supraleitern ähneln; daraus resultierende mögliche Anwendungen sind Grundlage weiterer Forschung.
„Mit unserer Arbeit haben wir gezeigt, dass nur durch die Kombination moderner Beugungsmethoden mit theoretischer Modellierung die Struktur von MOF-Dünnschichten zuverlässig bestimmt werden kann“, betont Egbert Zojer. „Die von Roland Resels Team entwickelte Beugungsmethode, zusammen mit der an der TU Graz entwickelten Software zur Analyse von Synchrotronstrahlungsdaten, liefert dafür wichtige Werkzeuge. Dies legt den Grundstein dafür, in Zukunft die Strukturen weiterer MOF-Dünnschichten aufzuklären und sie anschließend gezielt für neue Anwendungen in der Sensorik und Mikroelektronik einzusetzen.“
