Robert Klatt
Eine neuentwickelte Kristallstruktur bildet unter Sonnenlicht winzige Hohlräume, die der Luft Wasser entziehen. Das Material könnte als Basis für neue Systeme dienen, mit denen Menschen in Regionen mit Wassermangel besser versorgt werden können.
Iowa City (U.S.A.). Laut den Vereinten Nationen (UN) leben derzeit etwa 1,42 Milliarden Menschen in Regionen mit hoher oder extrem hoher Gefährdung durch Wassermangel. Weil der globale Wasserkreislauf durch den Klimawandel zunehmend instabiler wird und es dadurch öfter zu Dürren kommt und weil die Grundwasserpegel der Erde stark sinken, wird die Zahl der von Wassermängeln betroffenen Menschen in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an neuen Techniken zur Trinkwassergewinnung, darunter etwa ein solarbetriebener Wassersammler, der Trinkwasser aus trockener Wüstenluft gewinnt.
Chemiker der University of Iowa (Iowa) haben nun eine dreidimensionale Kristallstruktur entwickelt, die Wasser aus der Luft aufnehmen und speichern kann. Diese besteht aus Metallatomen, die durch zwei unterschiedliche organische Moleküle miteinander verbunden sind. Wenn das Material ultraviolettem Licht ausgesetzt ist, findet eine chemische Reaktion statt, die die Form verändert. Innerhalb der Gitter entstehen durch viele, winzige Hohlräume, die der Luft Wassermoleküle entziehen und das Wasser speichern.
Laut den Forschern muss noch überprüft werden, ob die Kristallstruktur sich auch für die Wassergewinnung im industriellen Maßstab eignet. Wenn dies funktioniert, könnte sie dabei helfen, Menschen in Regionen mit starkem Wassermangel besser zu versorgen.
„Wir haben einen Weg gefunden und bestätigt, Wasser einzufangen und zu speichern, der lediglich Sonnenlicht benötigt. Man kann das Kristallgitter transportieren und das Wasser später bei Bedarf freisetzen. Genau deshalb ist das ein solcher Fortschritt.“
Die neue Kristallstruktur wurde bei Experimenten mit metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs), also hochporösen, kristallinen Materialien, entwickelt. In den ersten Experimenten haben die dreidimensionalen Strukturen aber noch nicht die gewünschten Hohlräume gebildet.
„Unser Design enthielt Verbindungsstücke, die eigentlich Poren erzeugen sollten, aber die Flexibilität, die wir eingebaut hatten, verhinderte die Bildung von Hohlräumen.“
Als die Forscher die Kristallstruktur mit ultraviolettem Licht, das etwa fünf Prozent des Sonnenlichts ausmacht, beleuchtet haben, entstanden in deren Innerem die Hohlräume, in denen sich daraufhin das Wasser gesammelt hat.
„Und siehe da: Als wir die innere Struktur des Kristalls mithilfe von Röntgenbeugung untersuchten, fanden wir Wasser im Inneren.“
Detaillierte Analysen zeigen, dass das UV-Licht eine Reaktion auslöst, durch die sich die Verbindungsstücke der Kristallstruktur, die zuvor zwei parallelen Linien im Buchstaben „H“ geähnelt haben, zu einem X-förmigen Muster anordnen. Dadurch entstehen die Hohlräume, die jeweils zwei Wassermoleküle aufnehmen können.
„Wir wissen nicht genau, wie die Wassermoleküle in den Kristall gelangen, aber wahrscheinlich bilden sie an der Oberfläche teilweise Wasserstoffbrückenbindungen. Wenn Licht auf den Kristall trifft, öffnen sich all diese Hohlräume, Wasser wandert hinein und findet anschließend seinen Platz in den Hohlräumen.“
Obwohl die Wassermenge pro Hohlraum minimal ist, sind die Forscher der Ansicht, dass die Kristallstruktur als Basis für neue intelligente Techniken zur Wassergewinnung dienen kann.
„Wir verwenden das Wort ,intelligent‘ deshalb, weil wir die Wasseraufnahme gezielt mit Licht auslösen. UV-Licht steht durch die Sonne kostenlos zur Verfügung. Der nächste Schritt besteht darin, die Grenzen der Wasseraufnahme im Verhältnis zur Masse zu bestimmen und diese Grenze so weit wie möglich zu verschieben.“
Quellen:
Daten der Vereinten Nationen
Pressemitteilung der University of Iowa (Iowa)
Studie im Fachmagazin Journal of the American Chemical Society, doi: 10.1021/jacs.6c01019