Lichtgesteuerter 3D Multi-Schalter

Bestrahlung des 3D Multi Schalters mit ultraviolettem (UV) Licht führt zu Ringöffnung des rigiden Moleküls, welches dadurch in einen weiteren der vier Zustände überführt wird. - Klick auf die Grafik! (Grafik: AK Dube)

2. März 2022

Molekulare Photoschalter sind Moleküle, deren Geometrie und physikalischen Eigenschaften gezielt durch Licht geändert werden können. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise die Farbigkeit, chemische Reaktivität oder biologische Aktivität durch Bestrahlung mit Licht eines bestimmten Farbbereiches präzise gesteuert werden.

Die Natur nutzt ebenfalls molekulare Photoschalter. Retinal, ein langgestrecktes Molekül eingebettet im Protein Rhodopsin, ändert seine Geometrie durch Lichtbestrahlung und löst damit eine Signalkaskade aus, die die Grundlage des Sehvorgangs ist. Synthetische molekulare Photoschalter werden unter anderem für Lichtdämpfung in Brillen, als optische Speicher oder als Sensormaterialien, aber auch für die Aktivierung von Medikamenten im Körper und als Material für den 3D Druck eingesetzt.

Konventionelle molekulare Photoschalter besitzen ähnlich zu alltäglichen Schaltern wie z.B. Lichtschaltern zwei Zustände: „EIN“ und „AUS“. Mithilfe eines externen Einfluss, wie hier das Licht einer bestimmten Farbe, kann der eine Zustand in den anderen überführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn diese Zustände möglichst unterschiedlich sind, sowohl in Geometrie als auch in den elektronischen Eigenschaften, um eine große Änderung beim Schalten zu bewirken. Bei den meisten bisher bekannten molekularen Photoschaltern wird aber jeweils nur eine Art der Änderung – entweder geometrisch oder elektronisch – bewirkt.

Forschern der FAU ist es gelungen, eine fundamental neue Klasse von molekularen Multischaltern zu entwickeln. Diese verändern gleichzeitig sowohl geometrische als auch elektronische Eigenschaften beim Übergang in die verschiedenen Zustände. Die Multischalter basieren auf einer seltenen molekularen Käfigstruktur – einem sogenannten Trioxobicyclononadiene (TOND) – und darüber hinaus auf einer bisher unbekannten Funktionsweise. Die Multischalter können vier verschiedene Zustände einnehmen, welche mit Licht- oder Wärme-Signalen selektiv angesteuert werden. Das Schalten führt dabei zu Farbänderungen von farblos nach gelb und zu unterschiedlichen geometrischen Formen, bei denen sich die Käfigstruktur öffnet und umarrangiert. Die hier erreichte Komplexität des Schaltens gepaart mit hoher Präzision der Kontrolle bietet ganz neue Möglichkeiten für potentielle zukünftige Anwendungen.

Mit den neuen Multischalten ist es daher gelungen nicht nur neue chemische Photoreaktionen zu entdecken, sondern auch eine neue Dimension in der lichtgetriebenen Kontrolle von Phänomenen auf den kleinsten Größenskalen zu erreichen.

Die Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.