Licht als Schalter: Neues Kristallmaterial fängt Wasser direkt aus der Atmosphäre

Wasser aus der Luft zu gewinnen ist keine neue Idee, doch bisher erforderten die meisten Verfahren dafür Strom, Kühlaggregate oder aufwendige Technik. Chemiker:innen der University of Iowa haben nun einen anderen Weg beschritten: Sie entwickelten ein dreidimensionales Kristallgitter, das sich unter Einwirkung von ultraviolettem Licht chemisch umstrukturiert und dabei Hohlräume bildet, die Wassermoleküle aus der Umgebungsluft aufnehmen und festhalten.

Metallgerüste mit Gedächtnis für Licht

Das Material gehört zur Klasse der metallorganischen Gerüstverbindungen, auf Englisch Metal-Organic Frameworks oder kurz MOFs. Dabei handelt es sich um dreidimensionale Strukturen, bei denen Metallatome über organische Verbindungsbrücken zu einem porösen Gitter verknüpft werden. Die Technik selbst wurde in den 1990er Jahren entwickelt und ihre Pioniere erhielten dafür 2025 den Nobelpreis für Chemie. Das Iowa-Team baute ein MOF aus Kadmiumatomen und zwei Arten organischer Moleküle, das im Ausgangszustand keinerlei nutzbare Hohlräume aufwies. Die eingebauten Verbindungsbrücken, die die Form von zwei parallelen Linien hatten, ließen sich durch ihre Flexibilität zunächst nicht in eine stabile Porenstruktur zwingen.

Ultraviolettes Licht als Schalter

Der entscheidende Schritt gelang durch Bestrahlung mit UV-Licht. Die Reaktion ordnete die Brückenmoleküle in eine X-förmige Konfiguration um. Dreidimensional betrachtet entstanden dadurch zahlreiche kleine Hohlräume, von denen jeder genau zwei Wassermoleküle aufnehmen kann. Nach der Bestrahlung fanden die Forscher:innen mithilfe von Röntgenbeugungsanalysen Wasser in den frisch geformten Kavitäten. „Als wir uns die innere Struktur des Kristalls mit Röntgenbeugung ansahen, fanden wir Wasser darin“, berichtet Leonard MacGillivray, außerordentlicher Professor für Chemie an der University of Iowa. Insgesamt speichert das befüllte Gitter Wasser im Umfang von etwa fünf Prozent seiner Masse.

Intelligente Ernte mit Sonnenlicht

Das Team beschreibt den Ansatz als „intelligente Wassergewinnung“, weil der Einfang des Wassers gezielt durch einen externen Reiz ausgelöst wird. UV-Strahlung ist im Sonnenlicht frei verfügbar, externe Energiequellen wären nicht nötig. „Das nächste Ziel ist herauszufinden, wo die Grenzen der Wasseraufnahme liegen und diese so weit wie möglich zu verschieben“, sagt Doktorand Nevindee Samararathne Muhandiramge, Erstautor der Studie. Das Kristallgitter lässt sich im befüllten Zustand transportieren und das gespeicherte Wasser bei Bedarf wieder freigeben. Die Strukturen assemblieren sich selbst, was eine Produktion in größerem Maßstab grundsätzlich ermöglichen würde. Für einen praktischen Einsatz müsste jedoch zunächst das im Proof-of-Concept verwendete toxische Kadmium durch ein unbedenklicheres Metall ersetzt werden. Die Studie erschien im Journal of the American Chemical Society.

via University of Iowa