Viele Filter funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip: Sie sind auf mikroskopischer Ebene sehr porös, haben also eine große Oberfläche. Lässt sich diese Oberfläche mit technischen Mitteln weiter vergrößern, kann das die Filterwirkung verbessern.
Das gelang letztes Jahr einem Team von der TU Wien. Ein solcher Filter aus einer Kombination von metallischen und organischen Substanzen erwies sich nun als effektiv darin, Glyphosat aus Wasser zu filtern. Darüber berichten die Forschenden im Fachblatt "Advanced Functional Materials".
Die Wissenschafter um Shaghayegh Naghdi und Dominik Eder vom Institut für Materialchemie der TU Wien nehmen für ihren Ansatz metallorganische Gerüste (MOFs) als Ausgangspunkt. Sie weisen eine Vielzahl an sehr kleinen Löchern auf. Diese Strukturen sind derart perforiert, dass sie um die 7.000 Quadratmeter Oberfläche pro Gramm aufweisen können, was sie zu den Verbindungen mit der größten bekannten Oberfläche macht. "Das bedeutet, dass in einem Gramm MOFs ein ganzes Fußballfeld Platz findet", sagt Eder.
Je mehr Oberfläche, desto mehr Möglichkeiten bieten sich auf engstem Raum, chemische Reaktionen vonstattengehen zu lassen und zum Beispiel schädliche Verbindungen in großen Mengen gezielt zu binden. Daher sind MOFs auch Hoffnungsträger, wenn es darum geht, Gase zu trennen und aufzubewahren, Wasser zu reinigen oder Medikamente im Körper zu transportieren. Ein Problem ist jedoch, die Stoffe auch in das Innere der besonderen Gerüste zu bringen. Die Kanäle, durch die die Stoffe durchmüssen, sind in der Regel nämlich nur einen Nanometer dünn, weshalb sie leicht verstopfen.
Konzept von 2022
In der Fachzeitschrift "Nature Communications" stellten die Wiener Forscher 2022 eine Methode vor, mit der sich zusätzliche Poren in den MOFs einbauen lassen. Diese sind mit rund zehn Nanometer Durchmesser deutlich größer. Diese "Mesoporen" entstehen, indem die Wissenschafter "einen bestimmten Teil der organischen Verbindungsmoleküle" gezielt wegbrennen: "Allerdings müssen wir dabei sehr vorsichtig vorgehen, um einen Zusammenbruch der gesamten Mikroporenstruktur zu verhindern", erklärt Naghdi.
Mit dem modifizierten Material ging man in Kooperation mit einem Team aus Kanada nun daran, Glyphosat aus Grundwasser zu filtern. Das ging deutlich rascher und effizienter als mit bisher dafür verwendeten Ansätzen, berichten die Forschenden. In am Technion in Israel durchgeführten Computersimulationen zeigte sich, dass durch die Nachbearbeitung der MOFs neue Stellen entstehen, wo Glyphosat angebunden werden kann. Die Bindungen sind allerdings auch "schwach genug, um Glyphosat mit einer einfachen Natriumchlorid-Salzlösung wieder zu entfernen, sodass diese MOFs mehrfach verwendet werden können", sagt Eder, der sich der Entwicklung weiterer metallorganischer Gerüste widmen will, mit denen andere Schadstoffe gebunden werden können.
Beliebtes Pflanzenschutzmittel
Glyphosat ist das verbreitetste Pestizid der Welt. Durch den intensiven Einsatz gelangt es in den Wasserkreislauf und lässt sich sowohl in Fließgewässern als auch im Grundwasser nachweisen. In Europa wurden bei weniger als einem Prozent von über 60.000 Messstellen Werte über den Grenzwerten festgestellt. Studien belegen eine gesundheitsschädliche Wirkung, allerdings bei Menschen, die beruflich mit Glyphosat arbeiten und hohen Dosen ausgesetzt sind. (red, APA, 12.4.2023)