Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Metallorganischen Gerüstverbindungen unter hohen Drücken

• Antragsteller: Dr. Gregor Kieslich
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533641606

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) bieten einen nahezu unbegrenzten chemischen Parameterraum, um makroskopische Materialfunktionalität synthetisch zu adressieren. Das wichtigste Merkmal von MOFs ist eine offene Netzwerkstruktur, welche zu großem strukturellen Antwortverhalten auf Druck als Reiz führt. Die Hochdruckstrukturforschung an MOFs umfasst vielfältige Eigenschaften und Anwendungsgebiete wie z. B. negative lineare Kompressibilität, mechanische Stabilität, mechanische Energiespeicherung, Sensorik und Barokalorik. Erste Prinzipien, welche die Kristallchemie von MOFs (Topologie, Porosität, Metallknotenpunkt-Koordinationszahl, Linker-Geometrie, Defektkonzentration) mit ihrem Druck-Antwortverhalten verknüpft, wurden vor kurzem formuliert und deren Weiterentwicklung wird die wissensbasierte Materialoptimierung ermöglichen. Gleichzeitig erlauben MOFs als vielseitige Materialplattform neue Forschungsrichtungen zu erfassen wie z. B. die Untersuchung der Ladungstransporteigenschaften von elektrisch leitfähigen MOFs in Abhängigkeit von druckinduzierten Strukturveränderungen. Die Hochdruckforschung an MOFs ist damit jedoch an einem Wendepunkt angelangt: während faszinierende Forschungsbeispiele berichtet wurden, ist festzustellen, dass vorhandene Hochdruckpulverdiffraktometriezellen (HPPXRD) unzureichend sind, um Struktur-Eigenschaftsprinzipien effektiv weiterzuentwickeln und neue Forschungsrichtungen zu erschließen. Um das volle Potential dieser Forschungsrichtung zu entfalten ist die Entwicklung von experimentellen Techniken eng verknüpft mit zielgerichteter Synthesechemie von entscheidender Bedeutung. In diesem Antrag schlagen wir die Entwicklung und Anwendung einer neuen HPPXRD Zelle vor, welche speziell für weiche Materialien wie z. B. MOFs geeignet ist und Nachteile von etablierten Aufbauten behebt. Die neue Zelle wird die Hochdruckforschungsmöglichkeiten für MOFs und weiche kristalline Materialien weiterentwickeln und ermöglicht HPPXRD Messungen bis zu 1 GPa und einer Schrittgröße von 0,015 Gpa, einen hohen Probendurchsatz garantiert durch einfache Probenpräparierungstechniken, und die Messung der elektrischen Leitfähigkeit parallel zu HPPXRD Messungen. Unter Anwendung dieser neuen HPPXRD Zelle ist das Ziel dieses Antrages Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im Bezug zum Bulk Modulus und der Stabilität von (flexiblen) MOFs zu erweitern, und die Hochdruckabhängigkeit der elektrischen Transporteigenschaften in elektrisch leitfähigen MOFs zum ersten Mal zu messen und mit der zugrundeliegenden Hochdruckstrukturchemie zu koppeln. Wir erwarten, dass die neue HPPXRD Zelle ein Eckpfeiler für die Hochdruckstrukturforschung an MOFs und generell weichen kristallinen Materialien bekommen wird, und dass die Forschungsergebnisse dieses Antrages dazu beitragen das langfristige Ziel der Grundlagenforschung in diesem Gebiet zu verwirklichen: die Schaffung einer chemischen Intuition für das Hochdruckverhalten weicher Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Hydraulisch, Elektrische getriebene Pumpen
• Gerätegruppe: 8020 Pumpen für Flüssigkeiten