In Millisekunden von verschmutztem zu klarem Wasser

Neue Erkenntnisse im Bereich Nanoscience

18. Mai 2021

Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben eine Membran entwickelt, die aus unzähligen nanometerkleinen Röhren besteht. Diese setzten sie als Nanoreaktor ein, um mithilfe von Sonnenlicht in Millisekunden mit Methylenblau markiertes Wasser in klares umzuwandeln. „Reaktionen in Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität blitzschnell ablaufen zu lassen, stellt eine neue Chance für die Chemie dar,“ sagt Prof. Dr. Markus Antonietti, Direktor der Abteilung Kolloidchemie.

Die Abbildung zeigt mehrere parallel angeordnete nanometerkleine Röhren als Teil der Membran, in der die photokatalytische Reaktion abläuft. Die Membran ist ein makroskopisches Objekt, das aus einem Ensemble solcher Nanoröhren besteht.

Die Chemie gilt oft als ausgereifte Disziplin, in der neue Erkenntnisse nur an den äußeren Rändern entstehen. Ein Team um Gruppenleiter Dr. Aleksandr Savateev hat nun gezeigt, dass es gerade im Inneren – im Nanobereich – noch bemerkenswerte Überraschungen gibt. Eigenschaften gängiger Flüssigkeiten wie Wasser hängen von der Größe des Behältnisses ab, in dem sie eingeschlossen sind. Füllt man Wasser als bereits recht agile Flüssigkeit mit geringer Viskosität in ein Behältnis in Nanogröße, in das nur wenige Wassermoleküle passen, so wird es "superfluidisch". Je kleiner der Raum, desto größer ist der Suprafluid-Effekt. Wasser ist also nicht gleich Wasser.

Funktionsweise

In ihren Reaktionsexperimenten entwickelte die Savateev-Gruppe eine Membran, die aus Milliarden von parallel angeordneten Kohlenstoffnitrid-Röhren besteht. Jedes dieser Röhrchen verfügt über einen Durchmesser von wenigen Nanometern, was 1/10.000 eines menschlichen Haares entspricht. Sie beobachteten, dass Wasser ohne jegliche Reibung durch sie hindurchgleitet. Dabei wird Licht als Treiber für die chemische Umwandlung von verschmutztem zu sauberem Wasser genutzt, während der durch die Membran erzeugte Quanteneinschluss auch die Energie des Lichts mit bisher unerreichter Effizienz lenkt. Die konkave Oberfläche der parallelen, fast eindimensionalen Röhren dient als eine Art Spiegel, der das interne elektrische Feld im Inneren der Nanoröhre konzentriert. In Verbindung mit dem von außen einfallenden Licht erhöht dies die Reaktionsgeschwindigkeit enorm. „Im gewöhnlichen 3D-Raum sind diese Reaktionsgeschwindigkeiten von Millisekunden einfach unmöglich,“ sagt Dr. Savateev.  

„Wir arbeiten aktiv an der Entwicklung dieser Technologie, um Treibstoff und andere für die Gesellschaft wichtige Materialien mit nachhaltiger Energie wie Sonnenlicht in einfachen Geräten, vergleichbar mit einem Kaffeefilter, zu erzeugen,“ sagt Aleksandr Savateev.

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