Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben eine Membran entwickelt, die aus unzähligen nanometerkleinen Röhren aus 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.

Der Suprafluid-Effekt

Ein Team um Gruppenleiter Dr. Aleksandr Savateev hat nun gezeigt, dass Eigenschaften gängiger Flüssigkeiten wie Wasser von der Größe des Behältnisses abhängen, 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.

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 etwa 40 nm. 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.   Innerhalb der Nanoröhrchen sind die Reaktanden etwa 65 ms in Kontakt mit dem Katalysator, das wurde anhand der Strömungsbedingungen ausgerechnet.

Vorteile des Kohlenstoffnitrids

Kohlenstoffnitrid ist für die Herstellung derartiger Membranen attraktiv, weil es halbleitend und preiswert ist und weil sich daraus verschiedene Nanostrukturen relativ einfach herstellen lassen. Darüber hinaus verfügen die Nanoröhrchen über eine hohe Stabilitöt und das Material kann als Photokatalysator für eine Vielzahl von Reaktionen in Gegenwart von Sonnenlicht fungieren.

Die Originalpublikation ist als pdf unter diesem Link frei erhältlich.