Einfluss der Struktur auf Terahertz-Schwingungsmoden (Phononen) in metallorganischen Gerüsten

• Antragstellerin: Dr. Irena Senkovska
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448809307

Metallorganische Gerüstverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks, kurz MOFs) zeichnen sich gegenüber etablierten porösen Materialien durch ihre sehr hohen spezifischen Oberflächen und modulare Funktionalisierbarkeit aus. Während andere poröse Materialien relativ hohe mechanische Stabilität aufweisen, zeigen MOFs aufgrund geringer Scher- und Kompressionsmodule interessante strukturelle Transformationen. Diese strukturelle "Weichheit" ist ursächlich verantwortlich für exotische Eigenschaften wie negative thermische Ausdehnung, Phononen-assistierte Phasenübergänge oder die Bildung von MOF Gläsern. Das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist entscheidend für die technologische Weiterentwicklung weicher poröser Materialien in Optik und Dünnschichtapplikationen. Eine Besonderheit weicher poröser Materialien ist die starke Kopplung von Gitterschwingungen (Phononen) des kristallinen Gerüstes mit der adsorbierten fluiden Phase. Dieses "Fluid" kann ein breites Spektrum unterschiedlicher Zustände umspannen, sowohl in Bezug auf die adsorbierten Spezies (Gastmoleküle) und deren Porenfüllungsgrad als auch in Bezug auf deren Ordnungsgrad, nämlich von partiell geordnet bis hin zu einem quasi-fluiden Verhalten. In diesem Sinne ist zu erwarten, dass sich die elastischen Eigenschaften über weite Bereiche verändern, zudem können komplexe Kopplungsphänomene der Phononen-assistierten Phasenübergänge des Gitters mit Adsorbatphasenübergängen der fluiden Phase auftreten. Das Verständnis und die Analyse kooperativer Gitterschwingungen in MOFs stecken noch in der wissenschaftlichen Anfangsphase. Ihre Rolle in Bezug auf mechanische Eigenschaften (Verformbarkeit, Elastizität) und Phononen-assistierte (displazive) Phasenübergänge ist noch wenig verstanden. Das vorliegende Projekt adressiert primär die Untersuchung der niederfrequenten Schwingungsmoden in repräsentativen MOF-Modellsystemen und ihre Rolle in ungewöhnlichen Phänomenen wie negative thermische Expansion und die dadurch induzierten Phononen-assistierten Phasenübergänge in MOFs. Die von uns ausgewählten Modellmaterialien sind auf das Verständnis a) der Bedeutung der Netzwerkbausteine und b) der Topologie (bzw. Symmetrie) bezüglich ihrer Gitterschwingungen zugeschnitten. Wir benutzen ein komplementäres Instrumentarium physikalischer Charakterisierungstechniken: a) Brillouin Spectroscopie, Temperatur- und druckabhängige in situ-Ramanspektroskopie, b) temperaturabhängige Röntgendiffraktion und c) inelastische Neutronenstreuung. Die spektroskopische Analyse der Modellmaterialen (Pulver und Einkristalle) wird dabei durch theoretische Berechnungen und Simulationen von Gitterschwingungen und Vibrationsmoden ergänzt mit dem Ziel, ein detailliertes Verständnis für den Zusammenhang von Gitterschwingungen und thermomechanischen Eigenschaften in MOFs zu generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Alexander Krylov, bis 3/2022