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Salzsäure im menschlichen Magen schützt den Dünndarm vor pathogenen Bakterien aus der Nahrung. Die menschliche Haut verfügt über einen Säureschutzmantel aus kurzen bis mittellangen Fettsäureketten. Saure Reinigungsmittel — etwa auf Basis von Essigsäure — und Desinfektionsmittel wie Peressig- oder Ameisensäure sind schon lange im Einsatz.
Säuren wirken also antimikrobiell. Gilt das auch für saure Oberflächen? Versuche bewiesen diese Vermutung.1 Dabei ist das Anion nicht entscheidend: Es ist das H+-Ion, das als antimikrobielles Agens auftritt. So zeigen manche Linoleumböden, die freie Linol- und Linolensäure enthalten, antimikrobielle Wirksamkeit. Auch frisches Silikon, das Reste von Ameisensäure aus dem Herstellungsprozess enthält, sowie fermentierte ätherische Öle, in Glycerin und Fettsäuren aufgespalten, wirken antimikrobiell.
Für das Wachstum der meisten Bakterien ist ein pH-Wert um 7,0 optimal. Sie wachsen allerdings auch in leicht saurem bis leicht alkalischem Milieu (6,0 bis 8,9).2 Wird der pH-Wert zu stark aus dem Neutralen ausgelenkt, entstehen lebensfeindliche Bedingungen für die meisten Bakterien, darunter zahlreiche pathogene Arten.


<h2>Effekt des pH-Werts auf Bakterien</h2>
Wie Säuren auf Bakterien wirken, ist bekannt.3,4 Bakterien besitzen Protonenpumpen, um den cytoplasmatischen pH-Wert aufrecht zu erhalten. Dabei erfolgt der Transport von H+-Ionen gegen einen Konzentrationsgradienten aktiv, also unter ATP-Verbrauch. Speziell für Escherichia coli gilt, dass dem Erhalt der pH-Homöostase ein hoher Verbrauch an ATP zugrunde liegt. Experimente von Bender und Marquis5 machten deutlich, dass leichte Membranschäden erst bei einem pH-Wert von weniger als 4 auftreten — massive Membranschäden finden sich ab einem pH-Wert von 3 oder weniger. Inhibierung der ATP-Synthase stoppt den Transport von H+-Ionen aus der Zelle, der zum Erhalt des cytoplasmatischen pH-Werts beiträgt. Foster und Hall fanden im Jahr 1991, dass zum Erhalt der pH-Homöostase sowohl die ATP-Synthase als auch die Kalium-Proton-Pumpe und Natrium-Proton-Antiporter verantwortlich sind.6 Die Daten zeigen, dass der interne pH-Wert durch einen niedrigen äußeren pH-Wert sinkt und ein interner pH-Wert von 5,4 ausreicht, um den Zelltod hervorzurufen.
Verschiedene Faktoren sind für den Bakterientod bei niedrigem pH-Wert verantwortlich; wie schwer wiegend ein Faktor ist, hängt vom jeweiligen Bakterium ab. Die Faktoren sind:
Ein niedriger intrazellulärer pH-Wert bringt die zellulären Prozesse zum Stillstand, bis hin zur Denaturierung von Proteinen.
Die Möglichkeiten der Zelle, Protonen auszuschleusen, sind von der Kapazität oder der Energie her begrenzt, die Zelle stirbt an Protein-Denaturierung oder an ATP-Mangel.
Das Membranpotenzial sinkt soweit, dass eine effektive Energiegewinnung nicht mehr möglich ist.
Bei sehr niedrigem pH-Wert treten Membranschäden auf; dadurch steigt der Influx von Protonen, der nicht mehr kompensierbar ist.
Es gibt somit multiple Mechanismen der Säureschädigung von Bakterien. Die Keime haben deshalb wenige Möglichkeiten, Resistenzen zu entwickeln.


<h2>Saure Oberflächen</h2>
Abgesehen von der menschlichen Haut gibt es wenige Oberflächen, die einen vom Neutralen abweichenden pH-Wert aufweisen. In der heterogenen Katalyse sind saure Zentren bekannt, vor allem bei Zeolithen für das Spalten von Kohlenwasserstoffen.7
Um Oberflächen sauer auszustatten, gibt es mehrere Möglichkeiten, etwa die Verwendung saurer Polymere. Zu diesen zählt Nafion, das hoch azide H-Atome neben den stark elektronegativen Gruppen -F und -SO3 auf dem Kohlenstoffgerüst des Polymers enthält. Nafion ist ein Ionomer, das aus Teflon entwickelt wurde. Es handelt sich bei diesem Material um ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE), das unter anderem in Brennstoffzellen als H+-durchlässige Membran dient.
Carbonsäuren eignen sich nicht für eine lang andauernde antimikrobielle Ausstattung von Oberflächen, weil sie zu stark wasserlöslich sind. Bekannt ist ein Verfahren zur antimikrobiellen Ausstattung von Verpackungsfolien, bei dem aus einem Lack an der Oberfläche der Folien Sorbinsäure migriert (active packaging).8
Eine langfristige saure Ausstattung war so bisher nicht zu erzielen.


<h2>Übergangsmetalloxide für lang anhaltend saure Oberflächen</h2>
Einen neuen Zugang zu sauren Oberflächen bieten Lewis-Säuren. Dazu werden schlecht wasserlösliche Metalloxide eingesetzt, die mit Wasser sauer reagieren.1,9,10 Passende Oxide mit etwa 1 µm Korngröße mit einer Konzentration von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent werden in dem antimikrobiell auszustattenden Material homogen verteilt. Für Kunststoffe kann dies in einem Extruder erfolgen, für Farben und Lacke in einem Dispergator (Abbildung 1).
Die Übergangsmetalloxide MoO3 und WO3 wirken in Materialien wie Polymeren, Silikonen, Pulverlacken und Epoxidharz antimikrobiell.10 Polymere lassen sich mit dieser Technik in Extrusion und Spritzguss verarbeiten. Die meisten Polymere sind kompatibel mit dem System der milden Säuren. Hygroskopische Materialien wie Polyamid müssen vor dem Verarbeiten getrocknet werden. Polymere, die empfindlich gegenüber saurer Hydrolyse sind, eignen sich nicht für diese Technik zur sauren Ausstattung. Apolare Werkstoffe wie die Thermoplaste PP, PC, ABS und PS müssen zusätzlich an der Oberfläche hydrophiliert werden, um die Oxide entsprechend zu aktivieren.
Das Materialsystem ist im Wesentlichen eine inerte Matrix, welche die Oxidpartikel an der Oberfläche exprimiert. Die Oxidpartikel, die an der Oberfläche des antimikrobiell ausgestattenden Produkts liegen, reagieren mit Luftfeuchtigkeit zu Säure. Es stellt sich, je nach Konzentration der Oxide, ein Oberflächen-pH von etwa 4,5 bis 5,5 ein — ein Wert zwischen Essigwasser und menschlicher Haut. Diese milde Säure ist somit haut- und schleimhautverträglich. Auf den meisten Metallen zeigt sich keine erkennbare Korrosion, so wird beispielsweise Edelstahl nicht angegriffen.


<h2>Mechanismus der sauren Oberflächen</h2>
Saure Oberflächen greifen bei der Keimabwehr an mehreren Fronten an: Die Adhärenz vermindert sich und Zellanhänge wie Fimbrien und Flagellen verklumpen. Außerdem töten Säuren Keime ab und verhindern dadurch, dass sich Biofilme bilden (Abbildung 2).
Die Oxoniumionen greifen die Zellwand von Bakterien in unspezifischer Weise an, indem sie deren Proteinhülle sowie die Fimbrien dauerhaft denaturieren. Dieser Vorgang heißt Proteolyse oder Koagulationsnekrose. Ferner können die Oxoniumionen die Zellmembran der Mikroorganismen passieren und im Inneren der Zelle sowie in der Zellwand die Wirkung essenzieller Enzymsysteme blockieren.
Die Säure, sprich das H+ oder H3O+-Ion, wirkt als breitbandiges Biozid (Tabelle). Der unspezifische Mechanismus verhindert die Erzeugung von Resistenzen. Auch wurde keine Zytotoxizität festgestellt.11
Die Oxide MoO3 und WO3 dienen dazu, H+-Ionen zu erzeugen; per se wirken sie jedoch nicht antimikrobiell. Reines Mo zeigt keine Aktivität gegen Bakterien, ebenso wenig MoO2, weil beide bei Kontakt mit Wasser keine H+-Ionen erzeugen. MoO3 zeigt eine etwas bessere antimikrobielle Wirksamkeit als WO3. Ursache ist seine höhere Wasserlöslichkeit.
Ein wesentlicher Vorteil saurer Oberflächen ist ihre Robustheit. Ein solches System funktioniert auch in Anwesenheit von Schweiß und Proteinen, im Gegensatz zu silberbeschichteten Oberflächen.


<h2>Hydrophilierung</h2>
Es gilt quasi als Dogma in der antimikrobiellen Ausstattung von Materialien, dass diese möglichst hydrophob sein müssen. Dahinter steckt der Gedanke, dass Keime für ihr Wachstum Wasser brauchen, und dass hydrophobe Strukturen wasser- und schmutzabweisend sind. Es zeigt sich jedoch, dass Biozide in apolaren Systemen wie Polypropylen schlecht bis gar nicht wirken, in Stoffen mit einer Gleichgewichtsfeuchtigkeit von 2 bis 5 % hingegen eine gute Wirksamkeit aufweisen. Dies gilt für Silber und Kupfer, die Metallionen freisetzen, ebenso wie für die Metalloxide MoO3 und WO3, die erst durch Feuchtigkeit aktiviert werden.
Ein entscheidender Aspekt für eine gute Wirksamkeit der hier beschriebenen Technik in hydrophoben Materialien ist demnach, diese an der Oberfläche leicht hydrophil und leicht hygroskopisch auszustatten, so dass eine relative Luftfeuchtigkeit von bereits 10 % ausreicht, um die benötigte Säure zu bilden.
Die Hydrophilierung erfolgt durch Einmischen von Hilfsstoffen. Dazu zählen Polyethylenglykol für Farben und Glycerinmonostearat (GMS) für Kunststoffe. GMS dient in Polyolefinen als Antistatikum. Es bildet einen Wasserfilm an der Oberfläche, sodass Ladungen abfließen können. GMS besteht aus einem Glyceringrundkörper mit zwei freien OH-Gruppen sowie einer veresterten Fettsäuregruppe. Die Kohlenwasserstoffkette der Fettsäure verankert das GMS im Material, und die OH-Gruppen ziehen Feuchtigkeit an. GMS migriert an die Oberfläche und ist daher zur Hydrophilierung von Produkten geeignet, die eine beschränkte Lebensdauer aufweisen.
Für lang anhaltende Hydrophilierung eignen sich beispielsweise Alkylalkoxyamine. Wichtig ist, dass die zugesetzten Hydrophilierungsmittel nicht quellen und in Wasser nur wenig löslich sind. Sie dürfen kein Nährmedium für Mikroorganismen darstellen; ungeeignet ist deshalb Stärke, gut geeignet ist unter anderem Gelatine.
Über Hydrophilierung lassen sich Stoffe wie PP, ABS, PC, PS und viele Lacke mit der Säuretechnik antimikrobiell ausstatten. Dieser Trick kann auch die Wirksamkeit anderer Systeme, beispielsweise Silber, verstärken.


<h2>Anwendungsbeispiele</h2>
Es existieren bereits einige auf Basis der Säuretechnik entwickelte Produkte. EKG-Ableitungskabel sind seit einem Jahr auf dem Markt.12 Untersuchungen haben gezeigt, dass die schwierig zu reinigenden Ableitungskabel von EKG-Geräten zu über 75 % mit multiresistenten Keimen besiedelt sind.13
Antimikrobielles Bodenwachs senkt das Infektionspotenzial von Krankenhausböden.14 Es soll dieses Jahr in den Markt eingeführt werden. In China beschichteten Krankenhäuser im letzten Jahr bereits erfolgreich ihre Einrichtungen, darunter Böden, Tische und Wände, durch Aufsprühen von antimikrobiell ausgestattetem Epoxidharz bei minimalen Kosten und Stillstandzeiten.
Potenzial hat die Methode zudem für Medizinprodukte wie urologische Katheter15 und Endoskope, die Landwirtschaft (Ohrmarken, fleisch- und milchverarbeitende Industrie), die Öl- und Erdgasindustrie (Verhinderung von Dieselpest und Fouling) sowie den öffentlichen Bereich, dort unter anderem für Handläufe, Halteschlaufen in Verkehrsmitteln oder Stadionsitze. Vorversuche haben ebenfalls eine Wirksamkeit gegen Algen gezeigt.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Auf Basis von Lewis-Säuren lässt sich das Modell des natürlichen Säureschutzmantels der menschlichen Haut kopieren, um lang anhaltend keimfreie Oberflächen zu schaffen.
Die Technik setzt keine Nanopartikel ein und wirkt gegen ein breites Spektrum an Keimen, darunter auch multiresistente Bakterien.
 Der Einsatz erscheint vor allem im Gesundheitswesen, im öffentlichen Sektor sowie in der Industrie sinnvoll.


Maximilian Lackner studierte technische Chemie an der TU Wien, wo er im Jahr 2003 promovierte und sich 2009 in chemischer Verfahrenstechnik habilitierte. Von 2004 bis 2011 war er in der Kunststoffindustrie tätig. Seit 2011 ist Lackner Geschäftsführer beim High-Tech-Startup Amistec, das Lösungen für antimikrobielle Oberflächen entwickelt. <a href="mailto:lackner@amistec.at">lackner@amistec.at</a> Silke Maninger studierte Biochemie in Bielefeld und Frankfurt. Ihre Promotion über M94 des murinen Cytomegalie-Virus entstand an der LMU München. Seit dem Jahr 2011 ist sie als Mitarbeiterin der Amistec für die mikrobiologische Testung der antibakteriellen Oberflächen zuständig. Josef-Peter Guggenbichler ist emeritierter Vorstand des Instituts für Kinderheilkunde und Präventive Medizin der Universität Erlangen. In seiner Forschungstätigkeit konzentriert er sich auf die Verhinderung von im Krankenhaus erworbenen Infektionen. Er entwickelte zahlreiche erfolgreiche Techniken, etwa mit Nanosilber imprägnierte zentrale Venenkatheter und Ventrikeldrainagen.



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Artikel

Saure Oberflächen als neuartige Kontaktbiozide

Salzsäure im menschlichen Magen schützt den Dünndarm vor pathogenen Bakterien aus der Nahrung. Die menschliche Haut verfügt über einen Säureschutzmantel aus kurzen bis mittellangen Fettsäureketten. Saure Reinigungsmittel — etwa auf Basis von Essigsäure — und Desinfektionsmittel wie Peressig- oder...

Prof.Dr.

Supramolekulare Konzepte dienen schon seit längerer Zeit dazu, hierarchisch strukturierte, hochfunktionelle Grenzflächen herzustellen.1 Verschiedene Forschergruppen haben zweidimensionale Übergitter aus planaren organischen Molekülen auf Metalloberflächen hergestellt und charakterisiert. Dabei verknüpfen Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen oder ionische Bindungen die molekularen Bausteine. So entstehen planare Schichtgitter, die sich beispielsweise zur Herstellung katalytisch aktiver Oberflächen eignen. Die Überstrukturen entstehen nach Aufbringen der Edukte — entweder aus der Gasphase1 oder aus der Lösung2 — durch Selbstorganisation und zeichnen sich durch einen hohen Grad an Ordnung und Flexibilität aus.
Eine Erweiterung in die dritte Dimension steigert die Funktionalität im Vergleich zu solchen zweidimensionalen supramolekularen Strukturen noch einmal erheblich. Dreidimensionale, hochporöse und kristalline Gerüstverbindungen — metal-organic frameworks (MOFs) oder porous coordination polymers (PCPs) genannt — auf Oberflächen zu verankern, bietet somit viele Anwendungen.
Die dreidimensionalen hybriden Gerüststrukturen bestehen aus mindestens zwei Komponenten: Kupplungen und Streben, im einfachsten Fall jeweils aus Metallionen und bi- oder trifunktionellen organischen Molekülen (Abbildung 1). Aus den vielen potenziellen Komponenten ergibt sich eine fast unüberschaubar große Zahl möglicher Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften — mehr als 3000 MOFs sind bereits bekannt.
Diese hochporösen organisch-anorganischen Materialien sind kristallin und temperaturstabil bis mindestens 200 °C. Nach der Synthese eventuell noch eingebettete Lösungsmittelmoleküle lassen sich durch Heizen im Vakuum oder Inertgas oder durch Einlegen in überkritisches CO2 entfernen (Aktivierung). Zunächst ging es bei der Entwicklung der MOF-Materialklasse vor allem darum, Wasserstoff und kleine Moleküle wie CO2 und CH4 zu speichern.3 Jüngere Arbeiten zeigen aber zunehmend, dass diese Gerüststrukturen sich wegen ihres flexiblen Aufbaus für viele weitere Anwendungen eignen. Erst kürzlich gelang der Nachweis, dass mit entsprechenden organischen Streben Porengrößen von 10 nm Durchmesser entstehen. Dieser Bereich eignet sich zum Einlagern und Speichern von größeren Biomolekülen, pharmazeutischen Wirkstoffen und sogar Proteinen; auch die periodische Anordnung von katalytisch aktiven Nanopartikeln ist möglich.4 


<h2>MOFs auf Oberflächen</h2>
Der Oberflächenchemie bietet die Beschichtung von Substraten einige Einsatzmöglichkeiten. Forscher haben das Potenzial dieser neuartigen Materialien für die Grenzflächen-Systemchemie5 früh erkannt.6 In ersten Studien wurden solvothermal hergestellte MOFs in partikulärer Form auf Substrate aufgebracht. Obwohl diese polykristallinen Beschichtungen relativ ungeordnet und rau sind, fanden sich bereits Anwendungen, beispielsweise in der Sensortechnik. So verändert die Einlagerung von Molekülen in eine partikuläre, substratgebundene MOF-Schicht den Brechungsindex und damit auch die Interferenzwellenlänge und die Farbe.7 Allerdings nutzten diese Arbeiten noch nicht wirklich die Konzepte der supramolekularen Chemie, um Oberflächen zu funktionalisieren.
Eine neue Perspektive für den Einsatz von MOFs in der Oberflächenchemie eröffnete der Nachweis, dass sich Festkörperoberflächen auch über quasi-epitaktische Verfahren mit diesen Hybridmaterialien beschichten lassen.8 In einem Lage-für-Lage-Verfahren entstehen so monolithische, hochgeordnete Schichten (Abbildung 2). Derartige oberflächenverankerte, kristalline und hochporöse MOF-Beschichtungen heißen surface anchored metal-organic frameworks (Surmofs). Die strukturelle Qualität dieser Schichten geht deutlich über die der entsprechenden pulverförmigen Materialien hinaus, da es sich bei den Surmofs um kristalline Schichten einer definierten und einheitlichen Orientierung und Dicke handelt (Abbildung 3, S. 118).
Außerdem ermöglicht dieses epitaktische Herstellungsverfahren eine Heteroepitaxie, bei der sich aus unterschiedlichen Typen von Kupplungen und Streben Überstrukturen bilden (Abbildung 4, S. 118). Damit sind beispielsweise Schichtstrukturen realisierbar, die Bereiche mit unterschiedlichen Funktionalisierungen enthalten und auch Konzentrationsgradienten aufweisen. So können die oberen Lagen einer MOF-Beschichtung als Filter fungieren. Diese kontrollieren, welche Moleküle zu den unteren Schichten diffundieren und dort wirken, etwa indem sie mit verankerten Molekülen reagieren und dadurch Farbänderungen bewirken.
Die MOF-Schichten lassen sich auf verschiedenen Wegen aufbringen, etwa über Eintauch- oder Sprühverfahren.9 Das erst kürzlich entwickelte Sprühverfahren ermöglicht es, einige μm dicke Schichten schnell herzustellen (Abbildung 3c, S. 118). Das Verfahren ist skalierbar und beschichtet so auch größere Flächen.


<h2>Vorteile oberflächenverankerter MOF-Schichten</h2>
Gerüstverbindungen, die als dünne, hochgeordnete Schichten mit definierter Dicke auf Oberflächen fest verankert sind, bieten den Vorteil, dass sie sich mit den in den vergangenen Jahrzehnten entwickelten Techniken zur Oberflächencharakterisierung untersuchen lassen.10 Elektrische Aufladungseffekte, die beispielsweise Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) für MOF-Pulvermaterialien behindern, treten bei Surmofs nicht auf. So ist es möglich, Details der chemischen Zusammensetzung der deponierten Surmof-Schichten wie Ladungszustände der eingebauten Metallionen oder Defekte zu untersuchen.11
Auf Quarzkristalle aufgebrachte Goldelektroden lassen sich direkt mit Surmofs beschichten und detektieren so die Diffusion von Molekülen aus der gasförmigen oder flüssigen Phase in MOFs direkt mit einer Quarzkristallmikrowaage. Aus dem zeitlichen Verlauf der Massenzunahme kann dann das Eindiffundieren von Molekülen aus der flüssigen oder Gasphase in den MOF quantifiziert werden.
Die Messergebnisse liefern dann quantitative Aussagen zum Diffusionsprozess und zu Eigenschaften — wie etwa dem Diffusionskoeffizienten.11 Bei pulverförmigen Volumen-MOF-Materialien erfordern derartige Untersuchungen relativ aufwendige und fortgeschrittene NMR-Methoden12 oder mikroskopische Techniken.13
Außerdem beeinflussen bei den polykristallinen Pulvern häufig die als Diffusionsbarrieren wirkenden Korngrenzen die Resultate. Bei den epitaktisch gewachsenen hochkristallinen Surmof-Schichten dagegen ist die Diffusion der Gastmoleküle in den Poren entlang der Oberflächennormalen barrierefrei. Surmofs eignen sich daher auch als Modellsysteme, um Diffusionsvorgänge zu untersuchen, wie sie beim Be- und Entladen von MOF-Strukturen mit Molekülen, Clustern oder Nanopartikeln auftreten. Eine derart genaue Kenntnis der Diffusionsprozesse unterschiedlicher Moleküle hilft beispielsweise dabei, die Stofftrennung mit MOF-Membranen zu optimieren — ein Thema, das zurzeit großes Interesse findet.14
Durch Variation der als Streben eingesetzten organischen Moleküle lässt sich die Wechselwirkung der Gerüststrukturen mit Gastmolekülen maßschneidern. Erst kürzlich wurde eine neue Surmof-Serie etabliert, bei der sich der Porendurchmesser auf Werte bis zu 4 nm steigern lässt.15 Dies erlaubt beispielsweise eine hohe Selektivität in Trennverfahren. Vor allem ist es auch möglich, chirale Streben zu verwenden.
In einen aus (1R,3S)-(+)-Camphersäure aufgebauten Surmof lagerte sich bevorzugt das (2R,5R)-Enantiomer des 2,5-Hexandiols ein, während sich in die aus (1S,3R)-(—)-Camphersäure aufgebauten Schichten überwiegend das (2S,5S)-Enantiomer einlagerte.16 Damit bieten chirale Surmofs neue Möglichkeiten, Enantiomere zu trennen sowohl in der Gasphase als auch in Flüssigkeit. Dies eröffnet auch Perspektiven für einen Einsatz in der pharmazeutischen Industrie. Die für ein Enantiomerenpaar spezifische Trennleistung von auf QCM-Substraten aufgewachsenen, chiralen Surmofs lässt sich in wenigen Minuten bestimmen; bei Pulvermaterialien ist der Messaufwand deutlich höher.


<h2>Mechanismus der MOF-Bildung</h2>
Oberflächenanalytische Methoden geben auch Einblicke in den Mechanismus der MOF-Bildung; das Verfolgen derartiger Nukleationsphänomene mit Volumenmethoden erfordert hingegen einen relativ hohen Aufwand. So lieferte die Oberflächenplasmonenspektroskopie (SPR) Hinweise über die Kinetik des selbstorganisierten Aufbaus der MOF-Strukturen aus den molekularen Untereinheiten.17
Kürzlich stellten wir eine Variante des zur Herstellung der Surmofs eingesetzten Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens vor, das magnetische Nanopartikel mit hochporösen MOFs beschichtet.18 So entstehen Kern-Schale-Schale-Partikel, die zum Beispiel für Trennverfahren oder die Chromatographie einsetzbar sind. Abbildung 5 zeigt ein Surmof-beschichtetes Magnetit-Partikel; die zwiebelschalenartige Hülle besteht aus 40 Lagen des Cu-Benztricarbonsäure-Netzwerks.


<h2>Anwendungen der Surmofs</h2>
Surmofs sind mit oberflächenanalytischen Methoden besser zu charakterisieren als Volumenmaterialien. Weitaus interessanter aber sind die neuen Möglichkeiten der Surmofs, um Oberflächen zu funktionalisieren. Oberflächenfunktionalisierung bedeutet dabei nicht einfach, physikalische Eigenschaften — etwa die Benetzbarkeit — der Grenzfläche zu verändern, wie es von selbstorganisierten molekularen Monolagen (SAMs)19 bekannt ist. Vielmehr entstehen durch das Aufwachsen eines Surmofs komplexe, multifunktionale Schichten, in denen sich mehrere Eigenschaften sogar ferngesteuert — beispielsweise durch Licht oder durch elektrische Felder — erzeugen lassen. Die Funktionalität der Beschichtungen ergibt sich dabei sowohl aus den chemischen als auch aus den physikalischen Eigenschaften des Materials.
Elektrochemische Anwendungen sind ein weiteres Anwendungsgebiet für Surmofs. Durch die Funktionalisierung von Elektrodenoberflächen mit porösen Gerüststrukturen lassen sich elektrochemische Vorgänge besonders in der Helmholtz-Doppelschicht direkt verfolgen. Obwohl der Einsatz von oberflächenverankerten Gerüstverbindungen noch am Anfang steht, zeigen erste Experimente, dass Surmofs in der Elektrochemie bald eine wichtige Rolle spielen werden. So unterdrücken monolithische Surmof-Beschichtungen wegen ihrer hohen strukturellen Qualität Kurzschlussströme praktisch vollständig. Redoxprozesse an Molekülen, die in die Poren eingelagert wurden, lassen sich dann direkt und einfach verfolgen.20 Besonders reizvoll ist die Aussicht, über die Porosität der Materialien elektrochemisch relevante Moleküle nach Größe zu selektieren.
Auch in der Optik ergeben sich Anwendungen. So dienen die Linkermoleküle eines Surmof-Gerüstes als Antennen für sichtbares Licht. Elektronische Anregungen übertragen die im Gitter absorbierte Lichtenergie direkt auf Gastmoleküle, die in den Poren des Surmofs eingelagert sind.11
Vor Kurzem wurde auch die grundsätzliche Eignung von Surmof-Beschichtungen für den biochemischen, biologischen bis hin zum medizinischen Bereich nachgewiesen.21 Da pulverförmige MOF-Materialien schon in medizinischen Anwendungen zur Wirkstofffreisetzung dienen,22 zeichnet sich auch hier ein großes Potenzial ab, das bis zur Beschichtung von medizinischen Implantaten reicht.


<h2>Ausblick</h2>
Die Beschichtung von Festkörperoberflächen mit MOF-Materialen bietet eine Vielzahl von technischen, biochemischen sowie (bio)medizinischen Anwendungen. Dabei spielen sowohl die guten mechanischen Eigenschaften dieser Dünnstschichten (Abbildung 6) als auch die Wahlmöglichkeit des Trägermaterials eine große Rolle. Gerade die Wahlmöglichkeiten (Metalle, Oxide, Polymere) verschaffen Zugang zu den aktuellen Techniken und passen geträgerte MOFs optimal an die jeweilige Applikation an. Es ist zu erwarten, dass das Potenzial der metallorganischen Gerüstverbindungen bei weitem noch nicht erschöpft ist.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Festkörperoberflächen lassen sich mit dünnen Filmen aus metallorganischen Gerüstverbindungen beschichten.
Epitaktische Verfahren ermöglichen es, hochkomplexe multifunktionelle Surmof-Schichten mit Kompositionsgradienten herzustellen.
 Besonders in der Sensorik und der Elektrochemie ergeben sich Anwendungen.


Lars Heinke studierte Physik in Greifswald und Leipzig, wo er im Jahr 2009 promovierte. Nach Aufenthalten als Postdoktorand am Fritz-Haber-Institut in Berlin und in Berkeley ist er seit dem Jahr 2012 am Institut für Funktionelle Grenzflächen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beschäftigt. Seine Forschungsschwerpunkte sind Diffusionsprozesse und dynamische Vorgänge in dünnen, porösen Filmen. Hartmut Gliemann studierte Chemie und promovierte im Jahr 1999 an der Universität Erlangen. Anschließend arbeitete er am Institut für Nanotechnologie des KIT, wechselte 2006 an das Institut für Funktionelle Grenzflächen und leitet dort die Abteilung Chemie oxidischer und organischer Grenzflächen. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Strukturierung und chemische (Bio-) Funktionalisierung von Oberflächen. Christof Wöll ist seit dem Jahr 2009 Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen am KIT. Sein Forschungsgebiet umfasst unterschiedliche Oberflächenphänomene — von der Synthese und Charakterisierung funktioneller organischer Dünnstschichten bis hin zur Spektroskopie an Oxidoberflächen. <a href="mailto:christof.woell@kit.edu">christof.woell@kit.edu</a>



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Auf eine Diskussion der Eigenschaften der MOF-Volumenmaterialien im Allgemeinen wird aus Platzgründen verzichtet; die Literatur bietet dazu eine Reihe exzellenter Übersichtartikel, z. B.: J. L. C. Rowsell, O. M. Yaghi, Microporous Mesoporous Mater. 2004, 73, 3—14; sowie Lit.6) 
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