Wärme oder Kälte ganz nach Bedarf – und das praktisch ohne Strom. Das liefert ein neu entwickeltes Material aus einer erst im Jahr 2025 mit dem Nobelpreis gewürdigten Stoffklasse, das nun ein Team um Javier Garcia-Ben von der Universidade da Coruña vorgestellt hat. Entscheidend dafür ist das Gas Kohlendioxid. Wie die Arbeitsgruppe in der Fachzeitschrift »Journal of the American Chemical Society« berichtet, bindet das Material das Gas unterhalb einer bestimmten Temperatur und erwärmt sich dabei. Steigt die Temperatur darüber, gibt es Kohlendioxid ab und kühlt die Umgebung. Das System reguliert sich demnach selbst. Der Druck des Gases wiederum bestimmt, bei welcher Temperatur dieser Übergang passiert – sie könne gezielt auf einen Wert zwischen -30 und +120 Grad Celsius eingestellt werden, berichten die Fachleute. Wegen dieses großen Bereichs eigne sich das Material für die Temperaturregulation in allen Klimazonen, ebenso wie für viele andere technische Anwendungen.

Bei dem als MOF-508b bezeichneten Material handelt es sich um eine metallorganische Gerüstverbindung (metal-organic framework, MOF). Metallatome sind darin durch Abstandhalter-Moleküle zu einem Gitter verbunden, durch dessen Inneres sich nanometergroße Poren und Kanäle ziehen. Darin können sich andere Moleküle an das Gerüst anlagern. So gibt es MOFs, die ganz gezielt bestimmte Stoffe binden oder gar chemische Reaktionen steuern können. Weil sie die chemische Synthese mit diesem Konzept in die dritte Dimension vordringen ließen, wurden Richard Robson, Susumu Kitagawa und Omar Yaghi für die Entwicklung der MOFs mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

Im vorliegenden Fall jedoch nutzt die Arbeitsgruppe als »atmend« bezeichnete MOFs, die einen Phasenübergang zwischen Strukturen mit kleinen und großen Poren durchlaufen, wenn sie CO₂ einlagern. Entscheidend ist, dass die Übergänge sogar »kolossal kalorisch-atmend« sind, was bedeutet, dass dabei besonders große Energiemengen aufgenommen oder abgegeben werden. Dadurch verändert sich die Temperatur des Stoffes deutlich, wenn Kohlendioxid unter Druck in die Struktur gezwungen oder wieder entlassen wird. 

Bekannt sind solche Stoffe seit Jahren; sie sind zum Beispiel als Ersatz für umweltschädliche Kühlmittel in Kühlschränken im Gespräch. Das Team um Garcia-Ben konnte jedoch zwei ganz entscheidende neue Einsichten gewinnen: Erstens wird der Phasenübergang nicht nur durch Druckänderungen ausgelöst, sondern auch durch Temperaturänderungen bei konstantem Druck. Und zweitens lässt sich die Temperatur des Übergangs durch den genauen Druck über einen weiten Bereich präzise einstellen. Dadurch erhält man ein Material, das automatisch und ohne weitere Energiezufuhr zu kühlen beginnt, sobald die Außentemperatur über einen bestimmten Wert steigt – einfach, weil es CO₂ abgibt und seine Struktur unter Energieaufnahme verändert. Umgekehrt nimmt es Kohlendioxid wieder auf und gibt Wärme ab, wenn es wieder kühler wird. So können derartige Stoffe zu einer passiven Temperaturkontrolle nicht nur in Wohnräumen beitragen.