Spektrum der Wissenschaft 4/2014
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Normalerweise sind Kristalle starr und ändern ihre Größe nicht. Allenfalls dehnen sie sich beim Erhitzen geringfügig aus oder schrumpfen ein wenig beim Abkühlen. Vor etwas mehr als zehn Jahren entdeckten französische Forscher jedoch künstliche kristalline Materialien, die von ihrem molekularen Aufbau her Klappstühlen ähneln. Bei der Synthese entstehen sie in einem zusammenfalteten Zustand mit kompakter Struktur und hoher Dichte. Durch Erhitzen, Befeuchten oder die Aufnahme von Gasen lassen sie sich jedoch entfalten. Dabei werden stabartige Molekülteile in ihrem Inneren wie Stangen ausgeklappt, wodurch große Hohlräume entstehen. Die Folge ist, dass sich die Kristalle bis zum Dreifachen ihres ursprünglichen Volumens ausdehnen. Beim Abkühlen oder Trocknen schrumpfen sie wieder zu ihrer kompakten Form.

Inzwischen konnten Gérard Ferey und seine Mitarbeiter am Institut Lavoisier in Versailles eine Reihe solcher "atmenden Kristalle" herstellen, über die sie im Aprilheft von Spektrum der Wissenschaft berichten. Chemisch handelt es sich um metallorganische Gerüstverbindungen. Sie bestehen aus Metallionen – positiv geladenen Eisen- oder Chromatomen zum Beispiel –, die über Sauerstoffatome mit starren, stabförmigen organischen Molekülgruppen zu einem dreidimensionalen Gerüst verbunden sind. Ermöglicht wird ihre Flexibilität durch Scharniere und Drehachsen in der Molekülstruktur. Außerdem müssen die Gerüste gewisse Symmetriebedingungen erfüllen; so dürfen sie keine dreieckigen Hohlräume enthalten.

Derart dehnbare Kristalle könnten die Energieprobleme der Zukunft lösen helfen. So wäre mit Sonnenlicht durch Wasserspaltung erzeugter Wasserstoff ein umweltfreundlicher Treibstoff für Kraftfahrzeuge. Er lässt sich jedoch nur schwer kompakt genug speichern, um bei vertretbarem Tankvolumen annehmbare Reichweiten zu ermöglichen. Die Substanzen der französischen Gruppe versprechen hier Fortschritte.

Auch ihr Einsatz im Umweltschutz bietet sich an. So können sie große Mengen Treibhausgase aufnehmen und in ihrem Inneren festhalten. Eine der Verbindungen namens MIL-101 hält seit vier Jahren den Weltrekord bei der Speicherung von Kohlendioxid, dem wichtigsten Klimaschadstoff. Sie kann das 400-Fache ihres Eigengewichts an CO2 adsorbieren. Schließlich eignen sich die flexiblen Festkörper auch als winzige Trägerteilchen, so genannte Nanocarrier, um Medikamente gezielt und sicher über den Blutkreislauf zu einem erkrankten Organ zu befördern, wo sie es schließlich freisetzen. Als solche Träger dienen derzeit meist Liposomen: Hohlkügelchen mit fettartiger Membranhülle. Sie sind jedoch relativ fragil und können wegen ihres geringen Durchmessers nur kleine Wirkstoffmengen einschließen: maximal fünf Prozent ihres Eigengewichts.

Ferey und Kollegen haben ihre Substanzen mit unterschiedlichen Medikamenten gegen Viren wie HIV sowie gegen Krebs getestet. Die Resultate waren hervorragend, sowohl hinsichtlich der gespeicherten als auch der maximal pro Zeiteinheit freigesetzten Menge. So lag die Speicherkapazität mit 15 bis 42 Prozent durchweg deutlich über der von Liposomen. Somit muss man für eine optimale Wirkstoffdosis weniger Trägermaterial in den Organismus bringen, was die Gefahr von Unverträglichkeiten oder Nebenwirkungen verringert. Zudem wurde der Nanocarrier nach Freisetzung des Wirkstoffs abgebaut und vollständig ausgeschieden.