Kristallphysikalische Eigenschaften von metallorganischen Gerüststrukturen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Eiken Haussühl
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394332735

Metallorganische Gerüststrukturen (MOFs) bestehen im Wesentlichen aus Metallionen, die über organische Brückenmoleküle zwei- oder dreidimensional verknüpft sind. Durch Variation der anorganischen und organischen Baueinheiten können zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten und somit eine Vielzahl an MOF-Materialien mit sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften synthetisiert werden. MOFs wurden aufgrund ihrer extrem großen Porosität in Hinblick auf Gasspeicherung, ihrer Photolumineszenz, und ihrer magnetischen und elektrischen Eigenschaften, z.B. als Ferroelektrika, vielfältig untersucht. Die elektrischen Eigenschaften sind über die elektromechanische Kopplung eng mit ihren elastischen Eigenschaften verknüpft. Bisher wurde an ferroelektrischen MOFs jedoch nur in vereinzelten Fällen ein Teil der elastischen Eigenschaften untersucht. Ziel des Projekts ist es, die elastischen Eigenschaften von ausgesuchten MOFs der Metall-Formiate und -Tartrate mit Hilfe von konventionellen Ultraschallmethoden und insbesondere mit der resonanten Ultraschallspektroskopie (RUS), in Abhängigkeit von der Temperatur zu untersuchen, um die Grundzüge des elastischen und thermoelastischen Verhaltens dieser Gruppe von MOFs erstmals zu erfassen. Da die elastischen Eigenschaften das dreidimensionale Bindungssystem der Kristallstruktur widerspiegeln, stellen Ultraschaltechniken wie RUS eine hochempfindliche Sonde zur Detektion von strukturellen Instabilitäten und Phasenumwandlungen dar. Dazu werden mehrere Millimeter große Einkristalle benötigt, die in weiteren Syntheseversuchen und Kristallzüchtungsexperimenten hergestellt werden, da bisher die meisten MOFs in der Literatur nur in kleinen Kristalliten erhalten wurden. Die Resultate sollen unter anderem Aufschluss geben, (1) in wieweit ferroelektrische MOFs beim Übergang von der paraelektrischen Phase in die ferroelektrische Phase deutliche Änderungen hinsichtlich des elastischen Verhaltens zeigen, (2) ob magnetoelastische Kopplung, wie sie in [(CH3)2NH2][Co(HCOO)3] gefunden wurde, auch in isotypen und strukturell verwandten MOFs auftritt, und (3) wie sich diese auf das elastische Verhalten in multiferroischen MOFs auswirkt. An den hier zu untersuchenden ferroischen MOFs soll des Weiteren festgestellt werden, ob darunter welche existieren, die nicht nur ferroelektrisch sind, sondern auch ein ferroelastisches Verhalten aufweisen. Speziell im Hinblick auf die Gruppe der Tartrate ist die Frage zu klären, ob durch Substitution MOFs hergestellt werden können, die ähnliche ferroelektrische und auch ferroelastische Phasenumwandlungen zeigen wie [(NH4)Li(C4H4O6)] H2O. Ein weiterer Aspekt beschäftigt sich mit der Bestimmung des Einflusses der Größe der organischen Brückenmoleküle und deren Wasserstoffbrückenbindungen auf das elastische und thermoelastische Verhalten von MOFs, und mit der Frage, ob die Anisotropie des thermoelastischen Verhaltens von den Hauptrichtungen der Wasserstoffbrückenbindungen beeinflusst wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Closed Cycle Cryostat + Vakuum-Turbopumpstand
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)