Entwicklung von elektrisch leitfähigen MOFs und deren Integration in multiparametrischen MOF@SAW Sensoreinheiten

Konsortium:	Dr. Harald Oberhofer, München Technische Universität München Lehrstuhl für Theoretische Chemie
	Prof. Dr. Dirk Volkmer, Augsburg Universität Augsburg Institut für Physik
	Prof. Dr. Achim Wixforth, Augsburg Universität Augsburg Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Projekt:	Entwicklung von elektrisch leitfähigen MOFs und deren Integration in multiparametrischen MOF@SAW Sensoreinheiten
Zusammenfassung:	Multiparametrische MOF@SAW-Sensoren sollen entwickelt werden, die die besonderen Eigenschaften von Surface Acoustic Wave (SAW)-Bauelementen analytisch nutzbar machen. Insbes. sollen – als Reaktion auf die Aufnahme von Analyten – Änderungen im Massebelag und in der elektrischen Leitfähigkeit von molekül- und gestaltselektiven MOF-Schichten untersucht werden. Der Sensor arbeitet, bei ultraschnellem Ansprechverhalten, mit sehr hoher Empfindlichkeit. Elektrisch leitfähige MOFs stellen eine neue paradigmatische Richtung im Design und in der Erforschung poröser Koordinationspolymere (engl. PCPs) dar, die zu einer völlig neuartigen Klasse mikroporöser Halbleiter und Sensorelemente führen könnten. Bisher zeigen allerdings nur sehr wenige MOFs eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit, d.h. eine geeignete Kombination aus Ladungsträgermobilität und –dichte. Ein Anpassen der elektrischen Eigenschaften erfordert Einblicke in die Bandstruktur dieser Festkörper und den möglichen Ladungstransportmechanismen. Für letztere werden in der Arbeitsgruppe Oberhofer neuartige theoretische Ansätze entwickelt, die auf der direkten Simulation des Ladungstransports mittels parametrisierter tight-binding Modell-Hamiltonians beruhen. Anfängliche MOF-Designs beruhen auf den MOF-Verbindungen Fe-CFA-6 und MFU-4 aus der Arbeitsgruppe Volkmer. Diese werden im Hinblick auf elektrische und Gassorptionseigenschaften auf die technischen Erfordernisse von MOF@SAW-Sensoren angepasst. Funktionsfähige Prototypen von MOF@SAW-Sensoren werden in der Arbeitsgruppe Wixforth montiert und anschließend deren Ansprechverhalten gegenüber ausgewählten Gasmischungen untersucht. Von besonderer Bedeutung ist die Einrichtung eines zusätzlichen SAWMesskanals, der über die herkömmliche Messung von Massedifferenzen hinausgeht und welcher gleichzeitig die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von MOFs während der Gasbeladung misst. Um das Ansprechverhalten von MOF@SAW-Sensoren maßschneidern und optimieren zu können sind atomistische Simulationen zur Vorhersage und zum Verständnis der beobachteten Phänomene notwendig. Darüber hinaus sollen auf einem einzelnen Chip sensitive MOF@SAW-Schichten in Form von Multipixel-Arrays produziert werden, die zu einem multiparametrischen Sensor („künstliche Nase“) führen.
Publikationen:	[1] P. Sippel, D. Denysenko, A. Loidl, P. Lunkenheimer, G. Sastre, D. Volkmer "Dielectric Relaxation Processes, Electronic Structure, and Band Gap Engineering of MFU-4-type Metal-Organic Frameworks: Towards a Rational Design of Semiconducting Microporous Materials" Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 3885–3896 DOI: 10.1002/adfm.201400083
	[2] A. Schaller, A. Ullrich, S. Horn, D. Volkmer "Selective Growth of MFU-4l Single Crystals on Microstructured Plasma Polymer Coatings" Chem. Commun. 2015, 51, 12494–12496 DOI: 10.1039/C5CC04048E
	[3] T.A. Franke, A. Wixforth "Microfluidics for Miniaturized Laboratories on a Chip" ChemPhysChem 2008, 9, 2140–2156 DOI: 10.1002/cphc.200800349
	[4] T. Frommelt, M. Kostur, M. Wenzel-Schäfer, P. Talkner, P. Hänggi, A. Wixforth "Microfluidic Mixing via Acoustically Driven Chaotic Advection" Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 034502-(1–4) DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.034502
	[5] H. Oberhofer, J. Blumberger "Revisiting electronic couplings and incoherent hopping models for electron transport in crystalline C60 at ambient temperatures" Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13846–13852 DOI: 10.1039/c2cp41348e
	[6] S. Spirkl, M. Grzywa, D. Volkmer "Synthesis and characterization of a flexible metal-organic framework generated from MnIII and the 4,4’-bipyrazolate-ligand" Dalton Trans. 2018, 47, 8779-8786 DOI: 10.1039/C8DT01185K
	[7] S. Spirkl, M. Grzywa, S. Reschke, J.K.H. Fischer, P. Sippel, S. Demeshko, H.-A. Krug von Nidda, D. Volkmer "Single-Crystal to Single-Crystal Transformation of a Nonporous Fe(II) Metal–Organic Framework into a Porous Metal–Organic Framework via a Solid-State Reaction" Inorg. Chem. 2017, 56, 12337-12347 DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b01818
	[8] B. Paschke, A. Wixforth, D. Denysenko, D. Volkmer "Fast Surface Acoustic Wave-Based Sensors to Investigate the Kinetics of Gas Uptake in Ultra-Microporous Frameworks" ACS Sens. 2017, 2, 740-747 DOI: 10.1021/acssensors.7b00014
	[9] Hana Bunzen, Felicitas Kolbe, Andreas Kalytta-Mewes, German Sastre, Eike Brunner, Dirk Volkmer "Achieving Large Volumetric Gas Storage Capacity in Metal–Organic Frameworks by Kinetic Trapping: A Case Study of Xenon Loading in MFU-4" J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10191-10197 DOI: 10.1021/jacs.8b04582
	[10] A. Knebel, B. Geppert, K. Voglmann, D.I. Kolkolov, A.G. Stepanov, J. Twiefel, P. Heitjans, D. Volkmer, J. Caro "Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields" Science 2017, 358, 347-351 DOI: 10.1126/science.aal2456