Es war einmal wieder Zeit für die Material Chemistry (MC) Konferenz, die 14. dieses Namens. Die Aston University in Birmingham war im Juli Gastgeber der Veranstaltung.

Die Materialchemie ist ein weites Feld. Es reicht von Materialien für Energievorrichtungen bis hin zu Polymeren, von biologischen bis hin zu rein theoretischen Anwendungen. Neben den Plenarvorträgen gab es vier parallele Sitzungen, und es war nicht immer einfach für mich zu entscheiden, was für mich von Interesse sein könnte.

Offensichtlich ist das „In“-Material im Moment Perowskit. Perowskit ist ein seit langem bekanntes Mineral (entdeckt 1839), das die Elemente Barium, Titan und Sauerstoff in einer bestimmten Anordnung enthält. Alle diese Elemente können ersetzt werden, und wenn die Verhältnisse eingehalten werden, werden Materialien mit der gleichen Struktur erhalten, aber mit einem überraschenden Spektrum an Eigenschaften. Diese können beispielsweise als Kondensatoren, Supraleiter, in LEDs und seit kurzem auch in der Post-Silizium-Solarzellentechnologie eingesetzt werden.

Ein sehr faszinierender Vortrag betraf das Lösen von Klebstoffen. Das heißt, einen Klebstoff zu erfinden, der sich durch einen Auslöser, eine Chemikalie oder etwas anderes wie Ultraschall, zersetzt und die durch diesen Klebstoff miteinander verbundenen Teile freisetzt. Stellen Sie sich ein Smartphone vor, das mit diesem Klebstoff ausgestattet ist. Nachdem es sein Lebensende erreicht hat, benutzt man einfach diesen Auslöser und das ganze Ding fällt auseinander. Dadurch können die verschiedenen Baueinheiten leicht getrennt und leichter recycelt werden.

Eines meiner Hauptinteressen – zumindest im Moment – sind medizinische Anwendungen. Ein Thema sind Hydrogele, das sind Netzwerke aus hydrophilen Polymeren. Sie können für die Wirkstoffabgabe oder das Tissue Engineering eingesetzt werden. Ein weiteres aufkommendes Thema ist der 3D-Druck von Implantaten und so weiter. So können Ersatzstoffe für Knorpel, Zähne oder Knochen gedruckt werden. Es gibt aber auch biologisch abbaubare Materialien, die in Wunden eingesetzt werden und die Heilung begünstigen. Sie sind „Ankerpunkte“ für biologische Materialien, die entlang des Implantats wachsen und schließlich die Wunde schließen, während das ursprüngliche Implantat abgebaut wird. Die Ideen gehen noch weiter: das Drucken ganzer Organe, zum Beispiel eines Herzens. Die Drucktechnologie ist ziemlich weit fortgeschritten, aber die Materialien für medizinische Anwendungen bedürfen noch der Entwicklung – und natürlich der Zulassung durch die FDA und andere Aufsichtsbehörden.

Noch ein Thema ist natürlich die Energie. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien heute Stand der Technik sind, gibt es noch viele Fragen zu beantworten und Probleme zu lösen. Ein Vortrag betraf beispielsweise eine Studie zur Elektrodenherstellung für LIBs. Die Herstellung von LIBs ist ein langer Prozess und ein Schritt ist ein Formationsprozess, der mehrere Wochen dauert! Die Forschungsgruppe untersuchte die verschiedenen Schritte und versuchte, den gesamten Prozess zu verkürzen. Aber obwohl einige faszinierende Ideen präsentiert wurden, wird deren Umsetzung in den aktuellen Prozessen noch lange auf sich warten lassen. Wie schade.

Es gab noch viele andere Themen und ich habe sicherlich einiges Interessantes verpasst. Aber alles in allem habe ich viel gelernt und es war eine inspirierende Veranstaltung, die zeigte, dass die Chemie im Zentrum für die Lösung vieler der Probleme steht, mit denen die Welt heute konfrontiert ist.

Die chemischen Gesellschaften feiern dieses Jahr das Internationale Jahr des Periodensystems. Grund dafür ist der 150. Geburtstag des Periodensystems der Elemente (PSE). Die meisten dürften diese Tafel im Chemiesaal der Schule gesehen und bald danach wieder vergessen haben. Tatsächlich ist das Periodensystem für den Chemiker so etwas wie das ABC. Als Student lernt man es zunächst mühevoll auswendig, bis man irgendwann entdeckt, wie hilfreich es dabei ist, Dinge herzuleiten, die man nun nicht mehr mühevoll auswendig lernen muss.

Aus heutiger Sicht mit unseren Kenntnissen des Aufbaus der Atome ist das PSE eine Selbstverständlichkeit und ergibt sich quasi von selbst. Aber zur Zeit des Russen Dimitri Mendelejew und des Deutschen Lothar Meyer waren Atome eine bloße Hypothese und Protonen und Elektronen waren gar nicht bekannt. Es gab Beobachtungen, aus denen man auf die Existenz von Elementen im Gegensatz zu Verbindungen, die aus Elementen bestanden, geschlossen hatte. Es gab aber keine Möglichkeit, zu erklären, warum manche Elemente sich im Verhältnis 1:1, andere dagegen im Verhältnis 1:2 zu Verbindungen fügen, oder warum manche Elemente flüssig sind und andere fest, und manche leicht und manche schwer. Die beiden oben genannten Wissenschaftler suchten jedoch nach einer Systematik und stießen dabei unabhängig voneinander auf Gesetzmäßigkeiten und vergleichbare Eigenschaften. Sie ordneten die bekannten Elemente entsprechend an und das Periodensystem war geboren. Für mich eine enorme Leistung. Die chemische Welt stürzte sich allerdings nicht voller Begeisterung auf das Konzept, sondern blieb eher skeptisch. Dies scheint auch eine Gesetzmäßigkeit zu sein, unter denen neue Konzepte, Ideen, Entdeckungen usw leiden. Auch Mendelejew bestritt, dass es so etwas wie Radioaktivität geben könnte. Für ihn war ein Atom, wie schon das griechische Wort sagt, unteilbar.

Was dem PSE zum Durchbruch verhalf, war die Tatsache, dass das System Lücken aufwies und Mendelejew diese Lücken mit noch zu entdeckenden Elementen füllte. Ein Beispiel hierfür ist Germanium. Man kannte bereits Kohlenstoff, Silicium und Zinn. Aber zwischen Silicium und Zinn musste sich noch ein Element befinden. Mendelejew sprach von Ekasilicium (Eka, Sanskrit für „eins“) und sagte unter anderem das Atomgewicht, die Dichte, das Atomvolumen und spezifische Wärme sowie einige Elementverbindungen vorher. Z. B. sollte es ein Dioxid und ein Tetrachlorid geben. 1886 gelang dem Deutschen Clemens Winkler die Isolierung eines neuen Elements, das genau diese Eigenschaften aufwies. Dieses Element wurde zu Ehren des Chemikers „Germanium“ getauft.

Der Aufbau der Atome (griech. „unteilbar“) aus Atomkern mit Neutronen und Protonen und der sich darum befindlichen Elektronenhülle wurde erst rund 40 Jahre später aufgeklärt. Damit ergab sich auch eine Erklärung, warum das Periodensystem genauso aufgebaut ist, wie seinerzeit von Mendelejew und Meyer aufgestellt. Beide erfuhren nicht mehr, welche Gesetzmäßigkeiten hinter ihrer bahnbrechenden Arbeit stehen und warum das PSE genauso aussieht, wie sie es entwickelt hatten. Darum in diesem Jahr: Chapeau vor einer visionären Leistung.

Genau genommen fand diese Entdeckung schon vor 201 Jahr statt, aber die Entdeckung des schwedischen Chemikers Johan August Arfwedson wurde erst 1818 von dessen Mentor Berzelius veröffentlicht: „Herr August Arfwedson, ein junger sehr verdienstvoller Chemiker, [das ist mal wirklich ein netter Kommentar!] der seit einem Jahre in meinem Laboratorie arbeitet, fand bei einer Analyse des Petalits von Uto’s Eisengrube, einen alkalischen Bestandtheil, … Wir haben es Lithion genannt, um dadurch auf seine erste Entdeckung im Mineralreich anzuspielen, da die beiden anderen erst in der organischen Natur entdeckt wurden. Sein Radical wird dann Lithium genannt werden.“ (J.Chem. Phys. 21, 44, Ann. Physik. 1818, 59, 238). Der Schüler des bekannteren Chemikers Berzelius entdeckt das Element also bei der Analyse des Minerals Petalit (LiAl[Si4O10]). Kurz darauf gelang dem Briten Sir Humphry Davy die erste Darstellung des Metalls durch Elektrolyse von Lithiumcarbonat. Und wie Berzelius schreibt, geht die Bezeicnung Lithium auf das griechische Wort für Stein, lithos, zurück, da das Element als erstes in Gestein entdeckt wurde – im Gegensatz zu Natrium und Kalium, die in Pflanzen gefunden wurden.

Lithium kommt als Begleiter von Natrium und Kalium in zahlreichen Silikaten vor, aber meist nur in kleinen Mengen, was die Gewinnung des Metalls erschwert. Gewonnen wird es aus Lithiumchlorid durch die sogenannte Schmelzelektrolyse. Das heißt, das Chlorid wird für die Elektrolyse geschmolzen und nicht in Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gelöst. Würde man Lithiumchlorid in Wasser elektrolysieren, entstünde Wasserstoff anstelle des Metalls, da dieses sehr viel unedler ist.

Charakteristisch ist die rote Flamme, mit der das silberweiße, weiche Metall an Luft verbrennt – in der Tat sehr schön, wie ich aus leidvoller Erfahrung berichten kann. Es bestitzt eine Dichte von nur 0,534 g/cm³ und ist das leichteste aller festen Elemente (abgesehen von festem Wasserstoff, der aber bei Normalbedingungen nicht existent ist). Bis vor einigen Jahren wurde es hauptsächlich als Legierungsbestandteil eingesetzt. Des Weiteren  gibt es Nischenanwendungen zur Produktion von Tritium für Fusionsreaktoren. Und seit den 1950gern wird Lithium in Form seiner Salze für bipolare Affektstörungen, Depression und ähnliche Krankheiten eingesetzt. Es wirkt offenbar beruhigend, aber nicht einschläfernd, wobei der genaue Wirkmechanismus noch nicht geklärt ist.

Und wie allgemein bekannt, erlebt das Metall derzeit einen enormen Boom, da es heute in den Lithiumionenbatterien breite Verwendung findet. Dies hat dazu geführt, dass die Produktion von rund 100 Kilotonnen in den 1980gern auf derzeit rund 600 Kilotonnen hochgeschnellt ist. Dies führt zu Überlegungen, ob Lithium nicht zu einem knappen Material werden könnte. Siehe auch meinen Blog vom Januar 2018.

Lithiumionenbatterien (LIB) kennt heute quasi jedes Kind. Viele moderne Technologien, von denen wir heute so abhängig werden – Smartphones, Notebooks,… – wären ohne diese Batterien undenkbar. Auch in Sachen Elektromobilität stehen LIB im Fokus– auch wenn ich persönlich diese Entwicklung für eine Fehlentwicklung halte, aber das ist ein anderes Thema.

Lithium weist unter den Metallen die geringste Dichte unter Standardbedingungen auf, ist also sehr leicht. Seine Ionen sind zudem klein und es hat ein extrem negativ liegendes Redoxpotential, oder anders gesagt, es ist äußerst unedel. Letzteres ermöglicht hohe Zellspannungen von annähernd 3 V (vgl. Nickel-Akkumulatoren mit 1,2 bis 1,5 V Spannung). Erstes führt zu hohen Energiedichten, d. h. viel Energie pro Gewichtseinheit (Li-Ionen: 120-210 Wh/kg, Ni-Akkus: 40-110 Wh/kg). Diese Eigenschaften ermöglichten erst die kleinen und langlebigen Akkus für Smartphones und Notebooks. Leider führt das unedle Verhalten auch zu einigen Problemen, denn Lithium ist äußert reaktiv, wie einige spektakuläre Brände von Elektroautos eines amerikanischen Herstellers demonstrieren. Außerdem kommt es nicht in unendlich großen Mengen vor (es ist seltener als z. B. Kupfer, aber häufiger als z. B. Blei) und seine Herstellung ist eher teurer.

Natriumionenbatterien

Sollte sich die Fehlentwicklung zur Elektromobilität wie von uneinsichtigen Weltverbesserern gefordert entwickeln, könnte es zu Engpässen in der Versorgung mit Lithium kommen. Häufiger vorkommende und preiswertere Metalle wären also attraktiv. Ein Metall, das als Ersatz diskutiert wird, ist Natrium. Dieses Metall ist chemisch gesehen dem Lithium recht ähnlich, allerdings sind seine Ionen etwas größer, was Probleme im Zusammenhang mit Volumenveränderungen der Batteriekomponenten erhöht. Außerdem ist es natürlich auch schwerer, was sich negativ auf die Energiedichte auswirkt. Andererseits kommt es deutlich häufiger vor als Lithium (z. B. in Form von Kochsalz) und ist daher preiswerter zu haben.

Ein Übersichtsartikel in der Angewandten Chemie befasst sich nun mit den chemisch/physikalisch/technischen Auswirkungen eines Ersatzes von Lithium durch Natrium. Dabei zeigte sich, dass die Batteriechemie häufig komplexer wird und manche für Lithiumionenbatterien gut gelösten Probleme neuer Lösungen bedürfen, Natriumionenbatterien jedoch nicht per se schlechtere Leistungen bieten. Sie werden wohl keine Lösungen für die Fahrzeugtechnik bieten, jedoch womöglich für eine stationäre Energiespeicherung, z. B. im Zusammenhang mit Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, bei denen das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt. Aber auch wenn die Forschung zu NIB in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt hat, steht sie eher noch am Anfang und eine technische Realisierung wird noch Zeit brauchen.

Der besagte Artikel, dessen Übersetzung ins Deutsche übrigens von mir stammt, findet sich unter:

Deutsch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201703772/abstract

Englisch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201703772/abstract

Von der „Öl“- zur „Wasserstoffwirtschaft“ – eine Einführung in Brennstoffzellen

Wird aus technischen Gründe auf den Herbst verschoben.

Neues Jahr, neue Webinare: Am 2. März, 19 Uhr findet bei Academia ein Webinar zum Thema Brennstoffzellen statt.

Trotz vieler Prophezeiungen nutzen wir immer noch fossile Brennstoffe, um unsere Autos zu betreiben, und Kohle oder Gas, um Energie und Wärme zu produzieren. Allerdings gilt Wasserstoff schon seit dem NASA-Raumfahrtprogramm als Ersatz für Öl – und sogar noch länger! Brennstoffzellen haben mittlerweile ein hochentwickeltes Stadium erreicht und finden bereits jenseits der Raumfahrt Anwendungen. Die Mittel zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff jedoch sind noch immer in der Entwicklung. Dennoch betrachten viele Automobil-Ingenieure Brennstoffzellen als einen besseren Ersatz für fossile Brennstoffe als Batterien. Dieses Webinar liefert eine gründliche Einführung in die elektorchemischen Grundlagen und die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen wie PEM, SOFC usw. Daneben werden kurz die noch zu lösenden Probleme erörtert, die vor allem mit der Erzeugung uns Speicherung des Brennstoffs H2 zusammenhängen.

Anmeldungen bitte unter https://www.academia-webinars.de/shop/qualifizierungswebinare-de/brennstoffzellen/

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker bietet für chemisch Interessierte eine nur online verfügbare Aktuelle Wochenschau. Jedes Jahr steht unter einem Thema und wird von einer Fachgruppe der Gesellschaft betreut. So gab es zum Beispiel 52 Beiträge zum Thema Chemie und Licht, Wasserchemie, Biochemie, Chemie und Energie. Auch wenn der ein oder andere Artikel langweilig sein mag, ist das hier ein wahre Fundgrube an Wissen, aufgearbeitet für den Laien.

In diesem Jahr hat die Wöhler-Vereinigung für Anorganische Chemie die Betreuung übernommen. Ziele dieser Vereinigung sind unter anderem das Verständnis für die Anorganische Chemie sowie für Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet zu fördern.

Die Anorganische Chemie beschäftigt sich quasi mit dem ganzen Periodensystem. So steht auch dieses im Mittelpunkt: Jede Woche wird über ein anderes Element berichtet. Besonders interessant sind z. B. die Artikel über Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Blei (Pb), Cu (Cu), Silber (Ag), Gold (Au) und natürlich Iod, geschrieben von Feldmann-Leben und Feldmann. Siehe: http://www.aktuelle-wochenschau.de/main-navi/archiv/chemie-der-elemente-2016/kw40-iod.html

Chemische Produkte stehen immer wieder in einem schlechten Ruf – ob verdient oder unverdient wäre an anderer Stelle zu diskutieren. A. Goldberg, K. Roth und C.J. Chemjobber haben nun eine „Sisysphos-Arbeit“ auf sich genommen und eine umfassende und erschöpfende Liste chemiefreier Haushaltsprodukte erstellt. Sie untersuchten Kosmetikprodukte, Haushaltsreinigern, Kräuterzusätze sowie verarbeitete Nahrungsmittel und Getränke. Leider ist diese Liste nicht mehr auf Deutsch frei zugänglich. Aber immer noch auf Englisch und der Artikel ist gut verständlich. Sollte es Verständnisprobleme geben, bin ich – als hoch qualifizierte Übersetzerin für chemische Sachverhalte – gern behilflich Die Liste ist hier erhältlich:

http://junq.info/wp-content/uploads/2016/07/cf.pdf

Da bleibt mir nur den Autoren herzlich für ihre tolle Arbeit zu danken. Die war lange überfällig!

Im Rahmen meiner fachlichen Weiterbildung besuche ich dieses Jahr die 2. International Conference on Polyol Mediated Synthesis in Hikone, Japan  und die 18. Vortragstagung  der Fachgruppe Festkörperchemie und Materialforschung der GDCh

Die erste Konferenz hat gleich zwei Vorteile: Ich kann mein (gesprochenes) Japanisch mal wieder aufpolieren und ich lerne einiges über neueste Entwicklung im Bereich der Nanomaterialien. Die spezielle Methode zur Herstellung solcher Materialien über Polyole erlaubt eine gewisse Steuerung von Eigenschaften und Gestalt bietet daher interessante Möglichkeiten. Polyole sind Alkohole mit mehreren OH-Gruppen. Glykol, das traurige Berühmtheit als Weinpanschmittel erlang hat, wäre ein einfaches Beispiel dafür. Da diese Syntheseart die Herstellung verschiedenster Materialien für verschiedenste Zwecke erlaubt, erhoffe ich mich einen schönen Einblick in die Themen, die derzeit aktuell sind.

http://www.ic-polyol.org/

Die Vortragstagung in Innsbruck steht unter dem Motto: Dick und dünn:facettenreiche Eigenschaften von Schichtmaterialien, womit der Schwerpunkt schon genannt ist. Diese Schichtmaterialien könnten eine Rolle im Bereich der Sensorik und Energiespeicherung spielen. Auch neue Materialien für LEDs stellen ein Schwerpunktthema dar. Ein weiterer Bereich ist die Katalyse.

https://www.gdch.de/index.php?id=3139