Ferdi Schüth
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der RuhrTelefon: +49 208 3062373
E-Mail: schueth@mpi-muelheim.mpg.de
Chemie
Mikrokapseln aus dem Reagenzglas
So gleicht die Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut einer kreativen Truppe, die mit ihren Molekülen virtuos jongliert: Das Material ist zum Teil altbekannt, aber was die Mülheimer daraus machen, ist weit gehend neu. Als wahren Künstler bezeichnen Kollegen den Doktoranden Pablo Arnal, der hauchfeine Mikrokapseln hergestellt hat. „Sie sind mit einem Mikrometer Durchmesser fünfmal kleiner als ein rotes Blutkörperchen“, sagt Arnal voller Stolz. Diese Katalysatorkügelchen ähneln transparenten Schneebällen und entstehen im Reagenzglas durch Fällungsreaktionen. Die sind im Prinzip trivial: Man rührt Chemikalien in einer Flüssigkeit zusammen – und schon bilden die Substanzen einen Niederschlag, der sich am Grund des Reagenzglases ablagert.
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Mikrokapseln kommen dabei eher selten zu Stande. Doch Arnal ist es gelungen, die Parameter so einzustellen, dass in einer Siliziumlösung winzige Siliziumdioxidkugeln von exakt gleicher Größe ausfallen. Anschließend umhüllt der Forscher die winzigen Bälle mit einer hauchdünnen Schicht aus Zirkoniumoxid, der eigentlichen Katalysatorsubstanz. Der Clou kommt zum Schluss: Pablo Arnal löst die Siliziumkugeln auf – und übrig bleiben feine Zirkoniumoxidhohlkörper.
Was simpel klingt, bedurfte monatelanger Feinjustierungen der Parameter. Druck, pH-Wert und Temperatur mussten richtig gewählt werden, und auch die Größe des Gefäßes beeinflusste die Entstehung der Mikrosphären. Welche chemischen Reaktionen die Katkügelchen zukünftig in Schwung bringen könnten, ist noch nicht klar. „Derartige Anwendungen stehen für uns auch nicht im Vordergrund“, betont Ferdi Schüth. „Unsere Aufgabe ist es zunächst, mit Grundlagenforschung Methoden zu entwickeln, die die Wissenschaft voranbringen – letztlich aber auch neue Anwendungen eröffnen können.“ Viele Arbeiten der Mülheimer haben vor allem ein Ziel: die Vergrößerung der katalytischen Oberfläche. Inzwischen verfügen die Wissenschaftler über Substanzen, von denen ein einziges Gramm eine Fläche von 2000 Quadratmetern besitzt. Zu den viel versprechenden Forschungsobjekten zählt ein Siliziumgerüst, das vor 13 Jahren eher zufällig von Mitarbeitern des Ölgiganten MobilOil entdeckt wurde. Eigentlich wollten die Petrochemiker ein feines Schichtsystem im Mikromaßstab schaffen, das Tenside (also Seifen) enthielt.
Im elektronenmikroskopischen Bild aber wurde klar, dass sich das in der Lösung enthaltene Silizium an den Tensidmolekülen zu regelmäßigen Sechseckstrukturen ordnete. Stets entstand eine Art Cannellonistapel aus nur wenige Nanometer dicken Siliziumröhrchen. Erst nach und nach erkannten Fachleute das Potenzial der Röhrchenstapel. Sie eignen sich hervorragend, um Moleküle aufzunehmen – wie Cannelloni mit Fleischfüllung.
Für die Katalytiker sind diese „MCM-41“ oder „SBA-15“ genannten Strukturen schlicht eine Matrix mit gigantisch großer Oberfläche. Gelingt es, die Röhren mit Katalysatorpartikeln zu bestücken, erhält man auf kleinstem Raum eine riesige Spielwiese für chemische Reaktionen. Schüths Mitarbeiter Anhui Lu hat ausprobiert, was möglich ist. In einem mehrstufigen Prozess füllt er die Röhren mit Kohlenstoff und versieht die Teilchen dann mit magnetischen Kobaltnanopartikeln, die ebenfalls mit einer Kohlenstoffschicht überzogen werden. Schließlich wird das Silizium aufgelöst und es entsteht ein magnetischer, hoch poröser Kohlenstoff. Die Hohlräume im Kohlenstoff sind danach frei und bieten Platz für Reaktionen.
