Umbau von innen: Wie ein Molekül die Netzwerkstruktur von MOF-Gläsern steuert

Federführend durchgeführt wurde die Studie von Jan-Benedikt Weiß, Doktorand in der Arbeitsgruppe Henke. Die Forschenden nutzen den organischen Liganden 1,10-Phenanthrolin (phen) als eine Art Flussmittel: Wird er gemeinsam mit einem kristallinen MOF erhitzt, setzt er dessen Schmelzpunkt deutlich herab und geht zugleich eine chemische Reaktion mit den Metallzentren des Gerüsts ein. Das Material lässt sich dadurch unter deutlich milderen Bedingungen aufschmelzen und zu einem Glas erstarren. Ein solcher gezielter Eingriff in die Koordinationsumgebung der Metallionen ist in klassischen anorganischen Gläsern nicht möglich.

Um die strukturellen Veränderungen aufzuklären, kombinierte das Forschungsteam eine Reihe moderner Methoden, darunter Ferninfrarot-Spektroskopie, Röntgenabsorptions- und Röntgenstreuexperimente sowie quantenchemische Rechnungen. Wichtige Beiträge lieferte die Arbeitsgruppe von Prof. Matthias Bauer an der Universität Paderborn, die mit hochauflösender Röntgenabsorptionsspektroskopie die lokale Umgebung der Metallionen aufklärte, sowie die Gruppe von Prof. Jin-Chong Tan an der University of Oxford, die die mechanischen Eigenschaften der Gläser und die Verteilung des Modifikators im Material untersuchte. Forschende der Universität Duisburg-Essen um Prof. Heiko Wende steuerten magnetische Messungen bei.

Gemeinsam zeigen die Ergebnisse, dass sich das Phenanthrolin selektiv an Cobalt-Zentren der MOFs anlagert, während es Zink-Zentren unberührt lässt. Über das Mengenverhältnis der beiden Komponenten lässt sich einstellen, wie stark das dreidimensionale Netzwerk dabei aufgebrochen wird – bis hin zu kettenförmigen Strukturen. Da die milderen Reaktionsbedingungen zugleich die thermische Zersetzung der Cobalt-Ver­bin­dun­gen unterdrücken, entstehen bei diesem Verfahren keine magnetischen Verunreinigungen. Dadurch konnten die Forschenden erstmals intrinsische antiferromagnetische Wechselwirkungen in den Cobalt-haltigen MOF-Gläsern nachweisen. Die Methode lässt sich zudem auf Carboxylat-basierte MOFs übertragen, die sich bislang nur sehr schwer in einen gläsernen Zustand überführen ließen.

Die Arbeit zeigt erstmals, wie sich MOF-Gläser durch die gezielte Modifizierung mit organischen Liganden sowohl in ihrer lokalen Koordinationsumgebung – und damit in ihren metallzentrierten Eigenschaften – als auch in ihrer globalen Konnektivität steuern lassen.

Pub­li­ka­tion

J.-B. Weiß, L. Fritsch, M. Tricarico, A. Schoch, S. Salamon, W.-L. Xue, C. Das, P. Kolodzeiski, H. Wende, J.-C. Tan, M. Bauer, S. Henke
„Flux-mediated ligand exchange restructures metal–organic framework glasses“
Nature Materials 2026, DOI: 10.1038/s41563-026-02712-5

Arbeitsgruppe Prof. Henke