Molekularer Schalter von Wissenschaftlern der Universität Rostock entdeckt

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Eine blaue Lösung wird nach Bestrahlen mit Laserlicht farblos. Die Farbänderung wird durch die Änderung der Molekularstruktur verursacht und ist mit bloßem Auge erkennbar. (Copyright: Universität Rostock / J. Bresien, A. Schulz).
(a) Laserlicht strahlt auf einen Kristall des Phosphor-basierten molekularen Schalters. (b) Die dunkelblaue Probe beginnt sich aufgrund der Änderung der Molekülstruktur zu entfärben (nach 5 min Bestrahlung, 0.1 mW). (c) Die Probe ist vollständig entfärbt (nach 5 min Bestrahlung, 10 mW). (d) 10 min nach Abschalten des Laserlichtes beginnt sich die Probe wieder zu färben. (Copyright: Universität Rostock / J. Bresien, A. Schulz).

Entdeckungen in der Naturwissenschaft sind selten und in den meisten Fällen zufällig. So auch die Entdeckung, die jüngst Chemikern der Universität Rostock geglückt ist.

„Die Entdeckung des Schaltverhaltens war rein zufällig,“ bemerkt Professor Axel Schulz, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische und Elementorganische Chemie an der Universität Rostock, auf die Frage, wie es zu der Entdeckung gekommen sei. Er erläutert: „Die Verbindung bildet dunkelblaue Kristalle, die sich unter Einwirkung von Licht entfärben.“ Bereits schwaches Licht reiche aus, um die Struktur der Verbindung zu verändern, weshalb sich die Aufklärung der Molekülstruktur als schwierig erwiesen habe. Alle Arbeiten zur Bestimmung der Molekülstruktur mussten in völliger Dunkelheit erfolgen.

Der entdeckte molekulare Schalter steuere den Ablauf einer chemischen Reaktion, die durch Bestrahlung mit Licht in zwei verschiedene Richtungen gelenkt werden könne. „Das kann man sich vorstellen wie eine Ampel, die Autos in verschiedene Richtungen fahren lässt, nur dass sich das Ganze auf der molekularen Ebene abspielt“, sagt Dr. Jonas Bresien, Habilitand am Lehrstuhl. „Unseres Wissens ist ein solches Verhalten zuvor nicht beobachtet worden.“

So konnte die chemische Verbindung mithilfe der magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie untersucht werden. „Mit dieser Methode kann man sozusagen in das Innere von Molekülen schauen, ähnlich wie ein MRT (Magnetische Resonanz Tomografie) in das Innere von Lebewesen schauen kann,“ erklärt Dr. Bresien. „Durch Bestrahlen der Probe innerhalb des Spektrometers konnten die strukturellen Veränderungen beim Schalten direkt beobachtet werden,“ erläutert Professor Schulz.

Um das Schaltverhalten genauer zu verstehen, haben sich die Chemiker Unterstützung bei den Physikern geholt. In Zusammenarbeit mit Professor Stefan Lochbrunner vom Institut für Physik der Universität Rostock wurde bestimmt, wie viele Lichtteilchen, sogenannte Photonen, benötigt werden, um einen Schaltvorgang in einem einzelnen Molekül auszulösen. Wie sich herausstellte, ist das System vergleichsweise effizient. Etwa jedes vierte Photon führt zu einem erfolgreichen Schaltvorgang.

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Chemikern und Physikern, durchgeführt  im Rahmen eines Projektes am Department „Leben, Licht und Materie“, war äußerst erfolgreich, zumal alle experimentellen Arbeiten auf dem Südstadtcampus der Universität Rostock zügig durchgeführt werden konnten.

„Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnten wir uns eine Reaktion überlegen, in der wir das Schaltverhalten ausnutzen, um eben diese chemische Reaktion zu manipulieren. Dies funktioniert sogar umkehrbar, sodass die verschiedenen Reaktionsprodukte immer wieder ineinander umgewandelt werden können,“ so Axel Schulz. Im Moment sei das reine Grundlagenforschung, könne aber in Zukunft für die Steuerung von katalytischen Prozessen, etwa bei der großtechnischen Herstellung von Kunststoffen oder Medikamenten, von Bedeutung sein.

Hintergrund

Molekulare Schalter
Molekulare Schalter sind Moleküle, die ihre Struktur zum Beispiel durch Einstrahlen von Licht verändern können. Sie können im Bereich der Miniaturisierung von Elektronik Anwendung finden, beispielsweise als Datenspeicher auf molekularer Ebene oder auch als sogenannte Molekulare Maschinen, wie zum Beispiel winzige Motoren, die nicht größer als ein Molekül sind. Bekannt sind molekulare Schalter auch in Organismen. Beispielsweise verwendet die Natur molekulare Schalter im Auge. Sie erzeugen den Sehreiz und sind damit für unser Sehvermögen unabdingbar.

Phosphorus mirabilis feiert seinen 350. Geburtstag
Wie viele Alchemisten seiner Zeit war der Hamburger Apotheker und Alchemist Henning Brand 1669 auf der Suche nach dem „Stein der Weisen“ – einer Substanz, die unedle Metalle wie z.B. Eisen in Gold umzuwandeln vermag. Brand wollte diesen „Stein des Weisen“ aus Urin gewinnen, indem er ihn erhitzte, wobei er eine weiße, wachsartige Substanz isolierte, die mit einem grellem weißen Licht verbrennt und im Dunkeln leuchtet. Deshalb nannte man diese chemische Lichtquelle „phosphorus mirabilis“ (griech. „wundersamer Lichtträger“).

Originalveröffentlichung: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c8sc04893b#!divAbstract

Kontakt:
Prof. Dr. Axel Schulz
Universität Rostock
Institut für Chemie
Tel.: +49 381 498-6400
E-Mail: axel.schulz@uni-rostock.de

 

 


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