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Einfluss von Anionen auf die Löslichkeit von Polymeren

06.11.2021

Chemiker aus den USA und der Tschechischen Republik haben einen Zusammenhang zwischen der Krümmung der bedingten Oberfläche eines Makromoleküls und Dissoziationskonstanten für verschiedene Kationen und Anionen hergestellt. Es stellte sich heraus, dass Ionen stärker mit einem Polymer wechselwirken, wenn dessen planare Struktur das Netzwerk aus Wasser-Wasserstoffbrücken verformt. Diese Wechselwirkung trägt dazu bei, dass das Polymer in Lösung ist.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Jan Heyda von der Universität für Chemie und Technologie in Prag und Paul S. Cremer von der University of Pennsylvania untersuchte die Wechselwirkung schwach koordinierender Anionen mit Polyethylenoxid-Polymer unterschiedlicher Länge. Sie schlugen vor, dass Moleküle mit unterschiedlicher Oberflächenkrümmung das Netzwerk aus Wasserstoffbrücken umgebender Wassermoleküle auf unterschiedliche Weise beeinflussen, was wiederum zu einer Änderung des Grades der Ionenadsorption führt.

Die Autoren zeigten die Beziehung zwischen der Ionenadsorptionsenergie und dem Verzerrungsgrad des Wasserstoffbrückennetzwerks. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten die Hypothese, dass Makromoleküle mit einer flachen Oberfläche die Struktur von Wasser stark verzerren und daher gut mit schwach koordinierenden Anionen wechselwirken, die leicht durch ein deformiertes Netzwerk von Wasserstoffbrücken zur Polymeroberfläche vordringen. Im Gegensatz dazu kann die Oberfläche der meisten kleinen Moleküle nicht als flach bezeichnet werden, was zu keinem Energiegewinn, hoher Hydrophobie und schlechter Löslichkeit führt.

In diesem Fall findet die Hauptwechselwirkung von Polymeren mit Anionen genau in der Mitte der Kette statt, da die halbkugelförmige Oberfläche der Endgruppen das umgebende Wasser schlecht verzerrt. Die durchschnittlichen Dissoziationskonstanten von SCN- waren etwa 0,1 Mol pro Liter für die Mitte der Kette und mehr als 2,4 Mol pro Liter für ihre Enden. Der maximale Energiegewinn, der sich aus der Wechselwirkung des Polymers mit Thiocyanat ergibt, betrug 5,3 Kilojoule pro Mol.

Die erhaltenen Daten werden nicht nur die Untersuchung hydrophober Wechselwirkungen und der Lösungschemie von Polymeren beeinflussen, sondern auch andere Bereiche der Wissenschaft, beispielsweise die Untersuchung von supramolekularen Verbindungen des Gast-Wirt-Typs.

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Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

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Wasser aus der Luft 29.06.2021

In Regionen der Erde mit Trinkwasserknappheit muss Meerwasser entsalzt werden. Dies kostet viel Energie, und in Gebieten, die weiter vom Ozean entfernt sind, gibt es diese Möglichkeit nicht. Die Lösung des Problems könnte die Kondensation von Wasserdampf aus der Atmosphäre sein. Die Idee ist nicht neu, aber die bisher existierenden "passiven" Technologien, die natürliche Temperaturänderungen berücksichtigen, können bei Tageslicht nicht verwendet werden. Zum Auffangen von Tau wird beispielsweise Folie verwendet, die sich tagsüber erwärmt.

Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine Technologie entwickelt, mit der man auch bei sengender Sonne rund um die Uhr Wasser entnehmen kann. Außerdem benötigt es überhaupt keine Energie.

Das Gerät besteht aus einem kegelförmigen Schild und einer Glasscheibe mit einer speziellen Beschichtung, die die Sonnenstrahlen reflektiert und Wärme ableitet. Dadurch wird das Gerät auf 15 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur heruntergekühlt. Im Inneren des Trichters verwandelt sich der Wasserdampf in Wasser. Der Vorgang ähnelt dem Auftreten von Kondenswasser an schlecht isolierten Fenstern im Winter.

Andere Technologien erfordern normalerweise das Abwischen des Kondenswassers von der Oberfläche – also weitere Energiekosten. Ohne diesen Schritt würde ein erheblicher Teil des Kondenswassers an der Oberfläche haften bleiben und unbrauchbar bleiben. Forscher der ETH Zürich brachten eine super-wasserabweisende Beschichtung aus einem speziell entwickelten Polymer auf die Unterseite des Glases auf, und das Kondenswasser begann sich zu Kugeln zu sammeln und von selbst zu fließen (oder vielmehr „abzuspringen“).

Das Gerät ist „passiven“ Folientechnologien in Bezug auf die erzeugte Wassermenge mindestens doppelt so überlegen. Eine Versuchsapparatur mit einem Trichter von 10 Zentimetern Durchmesser produzierte 4,6 Milliliter Wasser pro Tag. Größeres Glas bedeutet mehr Wasser. Unter idealen Bedingungen könnten Wissenschaftler bis zu 0,53 Deziliter Wasser pro Quadratmeter Glasoberfläche und Stunde sammeln.

„Das ist nahe am theoretischen Maximalwert von 0,6 Deziliter pro Stunde, der physikalisch unmöglich zu überschreiten ist“, sagt Ivan Hechler, Doktorand in der Gruppe von Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik an der Universität Zürich.

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