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Die Herausforderung

Nanoporen – d.h. nanoskalige Löcher im Größenbereich von Nanometern (10-9 m) – bestimmen die Eigenschaften von Materialien entscheidend mit. Für Chemikerinnen und Chemiker, wie Annette Andrieu Brunsen, spielen die chemisch-physikalischen Eigenschaften dieser Poren sowie die Eigenschaften des umgebenden Materials eine bestimmende Rolle in ihrer Forschung. Einen entscheidenden Beitrag zur heutigen Beforschung von Nanoporen leistete die Entwicklung der Elektronenmikroskopie in den 1970er Jahren, wodurch eine Visualisierung dieser Strukturen ermöglicht wurde. In heutigen technischen Anwendungen von Nanoporen, z.B. in Entsalzungsanlagen, werden poröse keramische Materialien eingesetzt, die eine Trennung von Stoffen, aufgrund ihrer Größe sowie aufgrund von Interaktionen mit dem Material selbst, ermöglichen. Eine Verbesserung der Selektivität dieser Poren sowie eine geringere Variation von Säuleneigenschaften im Herstellungsprozess sind zum Beispiel Gegenstand aktueller Forschung.

Aus dem Vortrag

Anwendungen für Nanoporen finden sich in vielen Bereichen, beispielsweise im Wassermanagement. So wird erforscht, wie sich durch die Entwicklung neuer Poreneigenschaften die Selektivität verbessern lässt und so z.B. Recyclingmaßnahmen, wie die selektive Rückgewinnung von Metallionen und anderen Stoffen aus Abwasser, umsetzen lassen. Poröse Membranen könnten als Material für Energiespeicher nach dem Prinzip der Osmose fungieren, indem osmotisch erzeugter Druck zur Energiegewinnung umgewandelt wird. Bereits heute werden einzelne Nanoporen zur DNA-Sequenzierung kommerziell eingesetzt. Hierbei bewegen sich Ionen im elektrischen Feld durch die Pore, bei Anwesenheit eines DNA-Strangs verringert sich der Ionenstrom. Für alle Anwendungen sind die spezifischen Eigenschaften nanoporöser Materialien ausschlaggebend, so z.B. die Größe der spezifischen Oberfläche. Typischerweise werden mehrere hundert Quadratmeter Oberfläche je Gramm des Materials erreicht. Bedeutsam ist dies beispielsweise für katalytische Funktionen, aber auch in Drug-Delivery-Systemen für medizinische Anwendungen. Weitere wichtige Eigenschaften sind etwa die Kapillarkondensation, wie auch die Ladung molekularer Funktionen in Nanoporen, die sich von der Ladung desselben Moleküls oder Polymers in Lösung unterscheiden kann. Auch in der Natur treten Nanoporen auf, genannt seien etwa Aquaporine, die dem Transport von Wasser in Zellen dienen, aber auch spezifische Kanäle für bestimmte Ionen. Diese natürlichen Nanoporen dienen aufgrund ihrer Komplexität, der hohen lokalen Definition von Funktionen und häufig auch Schaltbarkeit als Vorbild für synthetische Poren, da diese hohe Auflösung an Eigenschaften technisch oft noch nicht realisierbar ist. Umgekehrt kommt der Einsatz natürlicher Poren in technischen Systemen vor (z.B. Aquaporin in Membranen zur Wasseraufbereitung), dieser gestaltet sich aber oft aufgrund der geringen Stabilität isolierter natürlicher Poren als schwierig.

Perspektiven

Aktuelle Forschungsanstrengungen im Bereich des Nanoporen-Designs fokussieren sich u.a. auf die Kontrolle der Platzierung molekularer Funktion und Struktur entlang aller Längenskalen, auf die Verbesserung von Selektivität, oder die Entwicklung auch ganz neuer Trennkonzepte unter Nutzen zeitlicher Schaltbarkeit. Theoretische Arbeiten auf diesem Gebiet weisen mögliche Ansatzpunkte auf, die experimentell jedoch noch schwierig umzusetzen sind. Experimentelle Erfolge sind beispielsweise durch Ausnutzung kontrollierter Polymerisation von zwitterionischen Polymeren sowie beim 3D-Druck poröser Materialien zu verzeichnen. Eine weitere Erfolgsgeschichte ist die Gründung des auf nachhaltige, nass-feste Papierbeschichtungen spezialisierten Start-up-Unternehmens CeraSleeve, welches Papier und nanoskalig-poröse Beschichtungen kombiniert.