Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Dr. Florian Auras von der TU Dresden ist es gelungen, ein neuartiges Material in dem noch recht jungen Forschungsfeld der kovalenten organischen Netzwerkverbindungen zu entwickeln. Das neue zweidimensionale Polymer zeichnet sich dadurch aus, dass sich seine Eigenschaften gezielt und reversibel steuern lassen. Damit sind die Forschenden dem Ziel, schaltbare Quantenzustände zu realisieren, ein Stück nähergekommen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift ‚Nature Chemistry‘ veröffentlicht.

Poröse kovalente organische Netzwerkverbindungen (engl. covalent organic frameworks, kurz COFs) sind eine Klasse von hochstrukturierten, porösen Materialien, die aus organischen Molekülen bestehen, welche durch kovalente Bindungen zu einem Netzwerk verknüpft sind. Sie ermöglichen die Herstellung von Funktionsmaterialien mit molekularer Präzision. Ähnlich den metallorganischen Gerüstverbindungen (eng. metal organic frameworks, MOFs), die vor etwa 25 Jahren entdeckt wurden und mittlerweile Marktreife erreicht haben, zeichnen sich COFs durch vielversprechende strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften für zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel bei der Gas- und Flüssigkeitsspeicherung, Katalyse, Sensorik, sowie Energieanwendungen, aus.

Die bisherigen Forschungsarbeiten zu COFs konzentrierten sich in der Regel auf die Erzeugung starrer Gerüste, deren Materialeigenschaften statisch sind. Dr. Florian Auras und sein Team an der Professur für Molekulare Funktionsmaterialien der TU Dresden haben nun erstmals eine Designstrategie für dynamische zweidimensionale COFs entwickelt, die ähnlich einem Schwamm, ihre Poren schrittweise und kontrolliert öffnen und wieder schließen können. „Das Hauptziel der Studie war, diese Netzwerke, die normalerweise zwar sehr exakt geordnet aber starr sind, mit genau dem richtigen Maß an Flexibilität auszustatten, damit sich ihre Struktur von kompakt bis porös schalten lässt. Durch Zugabe von Lösungsmittel, das in das Netzwerk eindringt, können wir nun die lokale Geometrie und auch optische Eigenschaften wie die Farbe oder Fluoreszenz vorübergehend und reversibel verändern.“, erklärt Florian Auras seinen Forschungsansatz.

Die Möglichkeit, die strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften der Materialien gezielt hin und her zu schalten, machen die Materialien für zukünftige Anwendungen in der Elektronik und Informationstechnologie besonders interessant. „Unser Forschungsergebnis bildet die Grundlage für unsere weitere Forschung an schaltbaren Polymeren, insbesondere mit dem Ziel, schaltbare Quantenzustände zu realisieren. Mich fasziniert es bei der Arbeit an COFs immer wieder aufs Neue, wie exakt sich deren Eigenschaften durch die Kontrolle der molekularen Struktur steuern lassen“, ergänzt Auras.

Originalveröffentlichung

Auras, Florian., Ascherl, Laura., Bon, Volodymyr. et al. Dynamic two-dimensional covalent organic frameworks. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01527-8

Kontakt

Dr. Florian Auras
Gruppenleiter
Professur für Molekulare Funktionsmaterialien
TU Dresden
Tel.  +49 351-463 41233