Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften wird Graphen intensiv erforscht, da es vielversprechende Anwendungen in Bereichen wie Elektronik und Energietechnik bietet.
Graphen für andere Moleküle durchlässig machen
Besonders interessant ist es für die Wissenschaft, die Durchlässigkeit von Graphen für verschiedene Stoffe kontrollieren zu können: "Im Kohlenstoffgitter von Graphen lassen sich sogenannte Defekte erzeugen. Diese kann man sich vorstellen wie kleine Löcher, die das Gitter durchlässig für Gase machen", sagt Chemieprofessor Frank Würthner von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.Eine Durchlässigkeit für andere Stoffe, etwa für Ionen wie Fluorid, Chlorid oder Bromid, wurde bislang nicht beobachtet. "Das aber wäre für Anwendungen wie die Entsalzung von Wasser, die Detektion oder die Reinigung von Stoffgemischen von grundlegendem wissenschaftlichem Interesse", erklärt der Würzburger Professor.
Ein Defekt lässt Ionen passieren
Ein Team um Frank Würthner hat erstmals ein Modellsystem mit einem Defekt entwickelt, das die Passage der Halogenide Fluorid, Chlorid und Bromid ermöglicht, jedoch nicht von Jodid. Dies wurde in einer stabilen Doppelschicht aus zwei Nanographenen erreicht, die einen Hohlraum umschließt, in dem die eingedrungenen Halogenid-Ionen gebunden werden. Dadurch konnte die Zeit für den Eintritt der Ionen gemessen werden. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im Journal Nature veröffentlicht.
Chlorid, ein Bestandteil von Kochsalz und im Meerwasser vorhanden, spielt eine wichtige Rolle bei Lebensvorgängen in allen Organismen. "Der Nachweis einer hohen Durchlässigkeit für Chlorid durch einlagiges Nanographen und einer selektiven Bindung von Halogeniden in einem zweilagigen Nanographen rückt einige Anwendungen näher", so Dr. Kazutaka Shoyama, der das Projekt zusammen mit Frank Würthner initiiert und geleitet hat. Solche Anwendungen wären zum Beispiel Wasser-Filtrationsmembranen sowie künstliche Rezeptoren und Chloridkanäle.
Das nächste Ziel sind größere Stapel von Nanographenen
Die Würzburger Chemiker:innen planen, größere Stapel ihrer Nanographene zu erstellen, um den Durchfluss von Ionen zu untersuchen. Dieser Prozess ähnelt dem, der in biologischen Ionenkanälen abläuft. Die Forschungsarbeiten wurden am Institut für Organische Chemie und am Zentrum für Nanosystemchemie der JMU durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen von zwei Sachbeihilfen zur Entwicklung von mit Imidgruppen ausgestatteten Nanographenen gefördert.
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https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/graphen-ionendurchlaessig/
Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg (01/2025)
Publikation:
Bilayer nanographene reveals halide permeation through a benzene hole. M. A. Niyas, Kazutaka Shoyama, Matthias Grüne & Frank Würthner, Nature, 15. Januar 2025, DOI: 10.1038/s41586-024-08299-8
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08299-8