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Programmierbare MOF-Gläser könnten neue Funktionen für Glasbeschichtungen ermöglichen
Forschende der TU Dortmund, der Universität Paderborn, der Universität Duisburg-Essen und der University of Oxford haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Struktur spezieller metallorganischer Gläser bereits während der Herstellung gezielt verändern lässt. Die in Nature Materials veröffentlichte Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, optische und magnetische Eigenschaften von Glas einzustellen und könnte langfristig auch für Hersteller funktioneller Glasbeschichtungen interessant werden.
Programmierbare MOF-Gläser könnten neue Funktionen für Glasbeschichtungen ermöglichen
Forschende der TU Dortmund, der Universität Paderborn, der Universität Duisburg-Essen und der University of Oxford haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Struktur spezieller metallorganischer Gläser bereits während der Herstellung gezielt verändern lässt. Die in Nature Materials veröffentlichte Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, optische und magnetische Eigenschaften von Glas einzustellen und könnte langfristig auch für Hersteller funktioneller Glasbeschichtungen interessant werden.
Im Zentrum der Studie stehen Gläser auf Basis sogenannter Metal-Organic Frameworks (MOFs). Diese metallorganischen Gerüstverbindungen gelten als vielversprechende Materialien für Anwendungen in der Gasspeicherung, Sensorik, Katalyse, Batterietechnik und Optoelektronik. Bisher war die chemische Struktur der daraus erzeugten Gläser allerdings weitgehend durch das Ausgangsmaterial vorgegeben.
Das Forscherteam zeigt nun, dass sich dies ändern lässt. Durch die Zugabe des organischen Moleküls 1,10-Phenanthrolin vor dem Schmelzprozess kann die Chemie des Materials gezielt beeinflusst werden. Das Additiv wirkt dabei nicht nur als Flussmittel zur Senkung der Schmelztemperatur, sondern greift aktiv in die Bindungsverhältnisse der Metallzentren ein.
Veranstaltungstipp:
Die International Conference on Coatings on Glass and Plastics (ICCG) zählt zu den weltweit führenden Konferenzen für Wissenschaft und Technologie von Beschichtungen für großflächige oder in hohen Stückzahlen produzierte Produkte. Die ICCG bringt Forschende, technische Fachleute, Innovationsverantwortliche aus der Industrie und Entscheidungsträger aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Material- und Anlagenzulieferern, Beschichtungsherstellern sowie Anwenderunternehmen zusammen. Gemeinsam diskutieren sie aktuelle Entwicklungen und zukünftige Trends der Beschichtungstechnologie.
Merken Sie sich den Termin für die ICCG Conference & Exhibition 2026 vor:
Dienstag, 15. September, bis Donnerstag, 17. September 2026, in Berlin, Deutschland.
Strukturänderung direkt in der Schmelze
Nach Angaben der Wissenschaftler erfolgt die eigentliche Innovation im flüssigen Zustand des Materials. Während herkömmliche Glasbildung vor allem als physikalischer Erstarrungsprozess betrachtet wird, wird die Schmelze hier zu einem chemischen Reaktionsraum.
Das Phenanthrolin bindet an die Metallzentren und verändert deren Koordinationsumgebung. Dadurch entstehen neue Netzwerkstrukturen innerhalb des Glases. Über die Dosierung des Moleküls lässt sich steuern, wie stark dieser Umbau ausfällt.
„Die Schmelze ist kein starrer Zwischenzustand mehr. Sie wird zu einem Reaktionsraum, in dem wir die Struktur programmieren können“, erklärt Studienleiter Prof. Sebastian Henke von der TU Dortmund.
Besonders bemerkenswert ist, dass sich auf diese Weise Materialeigenschaften erzeugen lassen, die bislang aufgrund der hohen Verarbeitungstemperaturen nicht erreichbar waren. So konnten die Forschenden bei kobalthaltigen Gläsern gezielt magnetische Effekte nachweisen, ohne dass störende Zersetzungsprodukte entstanden.
Niedrigere Temperaturen vermeiden Materialschäden
Für die Verarbeitung von MOF-Materialien ist die Temperatur häufig ein kritischer Faktor. Viele Systeme beginnen sich thermisch zu zersetzen, bevor sie vollständig zu Glas geschmolzen werden können.
Der Einsatz von 1,10-Phenanthrolin senkt die Schmelztemperatur deutlich. Dadurch bleiben die Strukturen stabiler und die Bildung unerwünschter Nebenprodukte wird reduziert. Hochauflösende spektroskopische Untersuchungen bestätigten, dass sich zwar die räumliche Umgebung der Metallatome verändert, deren chemischer Zustand jedoch erhalten bleibt.
Darüber hinaus zeigten die Experimente, dass der Ansatz nicht auf eine einzelne MOF-Klasse beschränkt ist. Auch carboxylatbasierte Gerüststrukturen konnten erfolgreich modifiziert werden, was die technologische Relevanz des Verfahrens erhöht.
Was bedeutet das für Hersteller von Glasbeschichtungen?
Für Lack- und Beschichtungsentwickler liegt die Bedeutung der Arbeit weniger in einer unmittelbar verfügbaren Anwendung als vielmehr in einem neuen Entwicklungspfad für funktionale Glassubstrate.
Heute werden Eigenschaften wie Lichtsteuerung, Sensorfunktion, elektrische Leitfähigkeit oder photokatalytische Aktivität überwiegend über Beschichtungssysteme realisiert. Die neue Studie zeigt jedoch, dass künftig bereits das Glas selbst gezielt funktionalisiert werden könnte.
Daraus ergeben sich mehrere potenzielle Chancen:
- Funktionale Substrate statt rein passiver Träger: Gläser könnten künftig selbst magnetische, optische oder sensorische Eigenschaften besitzen, die anschließend durch Beschichtungen ergänzt oder geschützt werden.
- Neue Beschichtungsarchitekturen: Die Kombination aus funktionalisiertem MOF-Glas und speziell angepassten Lack- oder Dünnschichtsystemen könnte neue Lösungen für Smart Glass, Displays oder Sensorsysteme ermöglichen.
- Verbesserte Systemleistung: Wenn bestimmte Funktionen bereits im Substrat verankert sind, können Beschichtungen gezielter auf Schutz, Beständigkeit oder zusätzliche Oberflächenfunktionen ausgelegt werden.
- Potenzial für optische Anwendungen: Die kontrollierte Einstellung lichtemittierender oder optischer Eigenschaften könnte neue Möglichkeiten für Beschichtungen in der Photonik und Optoelektronik schaffen.
Langfristige Perspektiven
Besonders interessant ist der Ansatz für Märkte, in denen Glas zunehmend mehr Funktionen übernehmen soll, etwa in der Gebäudeverglasung, Elektronik, Sensorik oder Medizintechnik. Die Forschung deutet darauf hin, dass sich künftig nicht nur die Oberfläche, sondern auch die innere Struktur von Glas gezielt für bestimmte Anwendungen designen lässt.
Für Formulierer von Glasbeschichtungen könnte dies mittelfristig zu einer engeren Verzahnung von Substrat- und Beschichtungsentwicklung führen. Statt Funktionen ausschließlich über den Lackaufbau bereitzustellen, könnten diese künftig zwischen Glas und Beschichtung aufgeteilt werden. Das würde neue Gestaltungsspielräume für multifunktionale Systeme eröffnen und den Trend zu hochintegrierten Materiallösungen weiter verstärken.
Original Artikel: Weiß, JB., Fritsch, L., Tricarico, M. et al. Flux-mediated ligand exchange restructures metal–organic framework glasses. Nat. Mater. (2026).
