Nachdem es der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Miriam Unterlass, Professorin für Festkörperchemie an der Universität Konstanz, gelungen ist, erstmals organische Stoffe schadstofffrei durch das Erhitzen in heißem Wasser herzustellen, kann sie nun einen weiteren Erfolg verbuchen: Mittels der sogenannten Hydrothermalsynthese konnte sie im selben Reaktionsgefäß gemeinsam organische und anorganische Stoffe bilden und miteinander verbinden. Konkret: einen anorganischen Festkörper, der organische Farbmoleküle umschließt. Das hybride Material funktioniert bei Lichteinfluss wie ein Katalysator, der als Festkörper mehrfach einsetzbar ist.
Die Hydrothermalsynthese, das Herstellen von Materialien unter Druck in heißem Wasser, ist von der Natur inspiriert. In unterirdischen Heißwasserseen beispielsweise bilden sich Bergkristalle, indem die im heißen Wasser gelösten Atome miteinander reagieren und erst Moleküle, dann Kristalle bilden. Auf dieselbe Weise lassen sich in der synthetischen Chemie anorganische und – wie in einer Studie aus dem Jahr 2021 von Unterlass nachzulesen ist – auch organische Moleküle ohne toxische Lösungsmittel herstellen.
Synergie zweier Verfahren
Die aktuellen Ergebnisse, an denen auch Erstautorin Dr. Hipassia Moura, Postdoktorandin im Team von Unterlass, maßgeblichen Anteil hat, bilden eine umweltfreundliche Synergie beider Verfahren. „In unserer Arbeit zeigen wir, dass es möglich ist, auf diese Weise gleichzeitig anorganische und organische Stoffe zu bilden, und dass auch etwas Sinnvolles dabei herauskommt“, sagt Unterlass.
Dass die Herstellung des Hybridmaterials völlig ohne toxische Lösungsmittel auskommt, ist vor allem deshalb bemerkenswert, da die Arbeitsgruppe mit Farbmolekülen arbeitet, zu deren Synthese normalerweise hochgiftige Chemikalien gebraucht werden. Der Kern der neuen Substanz, die in heißem Wasser entstanden ist, wird von Farbstoffmolekülen gebildet, die als Lösung vorliegen, während das sie umgebende Material die Eigenschaften eines Festkörpers hat. Das Resultat ist ein Festkörper, der sich in puncto optischer Eigenschaften auch wie eine Lösung verhält.
Wiederverwendbarer Katalysator
Farbstoffe haben als Lösungen spezifische Eigenschaften. Die von der Arbeitsgruppe verwendeten Farbmoleküle sind in der Lage, Licht zu absorbieren und damit Reaktionen zu katalysieren. Dieser Prozess ähnelt der Photosynthese bei Pflanzen, wo es ebenfalls die Farbstoffe sind, die das Licht absorbieren. Die Tatsache, dass sich das Hybridmaterial nach außen wie ein Festkörper verhält, hat zudem den Vorteil, dass es im Gegensatz zu einer Lösung, die nach Gebrauch entsorgt werden muss, immer wieder als Katalysator eingesetzt werden kann.
Die Konstanzer Forscher zielen mit der Anwendung des Katalysators konkret auf kleine organische Moleküle ab, die bei Medikamenten eine Rolle spielen. Grundsätzlich ist die Methode aber für jede chemische Reaktion und damit die Herstellung jeglicher synthetischer Produkte einsetzbar. Während für die Synthese des hybriden Materials noch Wasser erhitzt werden muss, ist der katalytische Effekt durch Lichtenergie dabei völlig ohne Ressourcenverbrauch zu haben. „Licht ist die allerbeste Ressource, die wir haben“, sagt Unterlass. „Licht kann nicht verbraucht werden.“
