So genannte metallorganische Gerüste oder MOFs sind Materialien, die löchrig sind wie ein Schweizer Käse und, so hofft die chemische Industrie, womöglich ebenso nützlich wie ein Schweizer Taschenmesser. Die chemischen Mini-Gerüststrukturen können als sehr selektiver Filter verschiedene Moleküle speichern, filtern, voneinander trennen oder an einem Katalysator konzentrieren. Oft werden MOFs auf Gase angesetzt, sie könnten aber auch dazu dienen, Wasser wie ein Schwamm einzusaugen und sogar aus trockener Luft zu holen. Diese Technik, mit der man in der Theorie etwa Wasser in der Wüste aus der Luft gewinnen könnte, ist noch nicht ausgereift – nun aber hat ein deutsch-amerikanisches Forscherteam den Prozess des Wasserfangs aus Wüstenluft weiter optimieren können.

MOFs bestehen aus Metallen und organischen Stoffen, die eine poröse Struktur aus winzigen Hohlräumen mit großer innerer Oberfläche bilden. Bereits 2015 hatten Forscher spezielle Aluminium-MOFs konstruiert, die Wassermoleküle selbst bei einer wüstentypisch geringen Luftfeuchtigkeit von 20 Prozent einfangen. Aus dem vollgesogenen MOF-Schwamm kann Wasser mit Hilfe der Sonne ohne zusätzliche Energie herausgepresst werden: Das Wasser verdunstet aus den Nanoporen und kondensiert an Kühlrippen, die es dann in Trinkwasserqualität in Sammelbehälter leiten können. Ein Prototyp konnte aus Wüstenluft schließlich mit einem Kilogramm MOF pro Tag knapp drei Liter Wasser herausholen.

Bislang war nur unzureichend klar, warum genau in den Aluminium-MOFs Wassermoleküle derart gut hängen bleiben. Das Team von Forschenden um Joachim Sauer von der Humboldt-Universität zu Berlin hat dies nun mit Röntgenkristallografie und quantenchemischen Berechnungen in den Hohlräumen der MOFs herauszufinden versucht. Aus den Beobachtungen wurde deutlich, wie und wo sich die Wassermoleküle auf atomarer Ebene im Gerüst verfangen. Es zeigt sich, dass hierbei auch eine Interaktion der Wassermoleküle untereinander eine wichtige Rolle spielt: Während die ersten Wassermoleküle sich mit den organischen Stoffen des MOF verbinden, bilden die nachfolgenden Wassermoleküle zunächst Ketten innerhalb der Hohlräume, dann Cluster und schließlich ein Netzwerk an Clustern. Die Studie ist im Fachmagazin »Science« erschienen.

Für die spätere Funktion des Wassersammlers ist dabei wichtig, dass die ersten Wassermoleküle nicht zu fest mit den MOFs verbunden sind, da das Wasser sonst nicht einfach aus dem Material herausgepresst werden kann. Die Forschenden konnten mit Hilfe der Beobachtungen in Experimenten und Computermodellen nun MOFs designen, die Wassermolekülcluster bilden, zugleich aber nicht zu fest an den organischen Stoffen kleben.

»Die Entwicklung von Wasser aufnehmenden Materialien basierte bisher auf dem Prinzip Versuch und Irrtum. Da wir jetzt verstehen, wie die molekulare Evolution von Wasserstrukturen in metallorganischen Materialen funktioniert, können wir diese auf atomarer Ebene gezielt optimieren«, sagt Sauer in einer Pressemeldung. Je nach Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit verhalten sich Wassermoleküle anders – die Studie könnte nun dazu beitragen, bestimmte umweltbedingte optimierte MOFs zu produzieren, die womöglich sogar bei niedrigen Temperaturen in kühleren Regionen einsetzbar sind.