Einem Forscherteam um Dr. Christian Baerlocher und Dr. Lynne McCusker vom Laboratorium für Kristallographie der ETH Zürich ist es gelungen, die Struktur des Zeolithen IM-5 zu klären. IM-5 wurde vor rund zehn Jahren zum ersten Mal synthetisiert. Sein Aufbau aber ist so kompliziert, dass die Strukturaufklärung bisher nicht geglückt ist. Dies vor allem auch deshalb, weil IM-5 nur als Pulver von Kristallen vorliegt, die kleiner als ein Tausendstel Millimeter messen. Von katalytischen Testreaktionen konnten Forscher im Jahr 2000 einzig ein grobes Bild des Porensystems von IM-5 ableiten. Die Arbeit von Baerlocher und seinen Mitarbeitern wird heute in Science (1) veröffentlicht.

Baerlochers Untersuchungen zeigen, dass IM-5 eine Grundstruktur von 24 individuellen Siliziumatomen besitzt. Eine Elementarzelle des Kristalls besteht aus 864 Atomen. Aufgrund von verschiedenen Symmetrien mussten die Forscherinnen und Forscher allerdings „nur“ gut 70 Atompositionen bestimmen. „Bisher waren 20 bis 30 Atome die obere Grenze für polykristalline Materialien. Die Struktur hier ist mehr als zweimal so gross“, betont Baerlocher. Damit ist IM-5 so komplex aufgebaut wie der Zeolith TNU-9. Dieser weist die bisher komplexeste Struktur auf, welche die gleiche Forschungsgruppe der ETH vor kurzem aufklären konnte.

Modellhafte Darstellung des Zeolithen IM-5: Das gelbe Gerüst umschreibt die Lage der Silizium-Sauerstoff-Atome, die rot-blauen Rohre verdeutlichen das einzigartige Porensystem (Bild: C. Baerlocher / Laboratorium für Kristallografie ETHZ)

Ein besonderes Merkmal von IM-5 ist das ungewöhnliche Poren- und Kanalsystem. Dieses ist einerseits zweidimensional, besitzt also unzählige parallel verlaufende Kanäle, andererseits ist es begrenzt dreidimensional, bedingt durch Querverbindungen zwischen den parallelen Poren und blind endenden Seitenverzweigungen. Jeweils drei in einer Ebene liegende Porensysteme sind untereinander verbunden. Einzelwände trennen diese Nanoebenen voneinander ab.

Um die Struktur aufzuklären, haben Baerlocher/McCusker und Kollegen von der Stockholm University neue Wege beschritten. Als Grundlage für ihre Strukturbestimmung dienten Daten aus Röntgenbeugungsexperimenten, Aufnahmen mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und ein Berechnungsmodell ( „Charge Flipping“), das sie an die speziellen Erfordernisse bei der Bestimmung komplexer Kristallstrukturen von Pulvern anpassten.

Denn obwohl die Gruppe mit TNU-9 bereits ein komplexe Struktur geknackt hatte, konnte sie diese Methode nicht für IM-5 anwenden. Um die Struktur von ersterem zu klären, verwendeten die Wissenschaftler eine zeolithspezifische Methode, bei IM-5 aber entwickelten sie eine allgemeine. „Für die Erforschung komplexer Kristallstrukturen von polykristallinen Materialien ist deshalb unsere neue Methode ein Durchbruch“, sagt Lynne McCusker. Für die Forschung sei die Methode wohl mindestens so wichtig wie die Kenntnis der Struktur von IM-5. Die neue Methode werde es erlauben, in Zukunft andere polykristalline Materialien, etwa Katalysatoren, Medikamente, Keramiken oder komplexe Metalllegierungen zu untersuchen. Voraussetzung dafür ist, dass sich mit der Transmissionselektronenmikroskopie Bilder des Stoffes machen lassen.

Die Industrie, allen voran die Petrochemie, hat aber an der Strukturaufklärung von IM-5 ein grosses Interesse gehabt. Zeolithe werden in grossem Stil als Säurekatalysatoren bei der Raffinierung von Erdöl verwendet. Die Erdölindustrie erhofft sich von IM-5 einiges, unter anderem sehr spezifische katalystische Eigenschaften. „Ohne das Wissen um die Struktur kann die Industrie Synthesen nicht optimieren und wir verstehen nicht genau, was katalytisch passiert“, sagt Baerlocher. Um IM-5 industriell zu verwenden, sei es im Moment allerdings noch zu früh.