Poröse und hierarchische Materialien

Poröse Materialien spielen in Natur und Technik eine große Rolle. So ist die Porosität von Böden maßgebend für ihre Wasserdurchlässigkeit und die Fähigkeit, Wasser oder Erdöl zu speichern, die Porosität von Baustoffen hat einen maßgebenden Einfluss auf die Wärmedämmung und den Feuchtigkeitsaustausch, Ähnliches gilt für die Porosität von Textilgeweben. In der Technik spielen poröse Materialien unter anderem in der Stofftrennung und in der heterogenen Katalyse eine wichtige Rolle. In vielen technischen Anwendungen sind poröse Materialien mit internen Porennetzwerken erwünscht, die aus relativ weiten Zuleitungsporen und engen Poren bestehen, in welchen die Komponenten eines Stoffgemisches durch Adsorption oder andere Effekte zurückgehalten werden. Solche bimodalen Porensysteme sind z.B. für Katalysator-Träger erwünscht. Man unterscheidet, abhängig vom Porendurchmesser, zwischen mikro- meso und makroporösen Materialien.

In den Makroporen (> 100 nm) befinden sich in einer Pore einige zehntausend Moleküle, so dass sich die Substanz in den Poren im Wesentlichen wie die bulk-Substanz verhält. Da das Volumen im Verhältnis zur Porenoberfläche sehr klein ist, wird auch die Beschaffenheit der Porenwände keinen großen Einfluss auf das Verhalten der Substanz haben. In mikroporösen Materialien (< 2 nm) wie z.B. Zeolithen liegen dagegen Cluster von nur noch einigen Molekülen vor. Hier können teilweise sogar die Eigenschaften von einzelnen Molekülen untersucht werden und auch die Porenwand hat einen großen Einfluss auf die Moleküle.

Die Porenweite von Mesoporen liegt, wie schon die griechische Vorsilbe meso sagt, zwischen der von Mikro- und Makroporen. Dieser Porenweitenbereich ist deshalb interessant, weil nur eine überschaubare Anzahl von Molekülen in einer Pore vorliegt, die in Materialien mit enger Porenweitenverteilung genau definiert ist. Man kann somit den Übergang des Verhaltens einiger Moleküle zu dem der bulk-Substanz beobachten und bei dem Verhalten starke Abweichungen vom normalen Verhalten erwarten.

Für das Studium des Verhaltens von Fluiden in Poren ist die Qualität des porösen Materials von entscheidender Bedeutung. So ist eine enge Porenweitenverteilung Voraussetzung für die Zuordnung von Effekten, die von der Porenweite abhängen. Ebenso wichtig wie die Porenweite ist auch die Form der Poren für einen Vergleich mit theoretische Vorhersagen zu Modell-Poren (Porennetzwerk,Zylinderporen). In Abbildung 1 sind exemplarisch die Porenweitenverteilungen und Größenordnung einiger poröser Materialien verglichen.

Im Mikroporenbereich sind schon seit längerer Zeit Materialien mit idealen Porensystemen (Zeolithe) verfügbar. Die auch in der freien Natur vorkommenden Zeolithe sind kristalline Materialien, bei denen das Porensystem zur Kristallstruktur gehört und somit eindeutig definiert ist. Neben den Zeolithen gibt es auch Tonminerale (Schichtsilikate), die nach entsprechender Behandlung (pillard clays) eine relativ enge Porenweitenverteilung im Mikroporenbereich und eine weitere im Mesoporenbereich zeigen. Neben diesen natürlich vorkommenden Materialien gibt es auch poröse Gläser, die aus einem bikontinuierlichem Porensystem bestehen und eine symmetrische, meist etwas weitere Porenweitenverteilung im großen Mesoporen bis Makroporenbereich besitzen. Neben diesen klassischen porösen Materialien wurden erstmals 1992 von einer Forschungsgruppe der Mobil Oil Corporation (Beck et al.) die Synthese von geordneten mesoporösen Materialien veröffentlicht. Diese boten zum ersten Mal die Möglichkeit, das Verhalten von Stoffen in definierten Porensystemen im kleineren Mesoporenbereich zu studieren.