Forscher falten Moleküle, um die Halbleiter der Zukunft zu bauen
Aus der Biochemie wissen wir, dass die Funktion bestimmter Moleküle mit ihrer Faltung zusammenhängt. So ist die Anordnung einer Aminosäurenkette im Raum, d. h. die 3D-Struktur des entsprechenden Proteins, z. B. ausschlaggebend dafür, dass es von anderen Molekülen erkannt wird. Auch die Struktur der DNA ist essenziell für ihre Funktion.
Ein deutsch-koreanisches Forschungsteam hat sich dieses Prinzip zum Vorbild genommen und auf Farbstoffmoleküle übertragen. Präzise gefaltet ist deren Leuchtkraft erheblich stärker als bei zufällig angeordneten Molekülen. Ihre Studie zu diesen sogenannten Foldameren erschien Anfang der Woche in nature chemistry.
Perylenbisimid als Baustein für organische Halbleiter
Es ist bereits seit Langem möglich, Proteine und Nukleinsäuren mit definierter Länge und Zusammensetzung im Labor herzustellen. Doch auf vergleichbare Art und Weise organische Farbstoffmoleküle zu synthetisieren, sei nun zum ersten Mal gelungen, heißt es in einer Aussendung der beteiligten Universität Würzburg.
Die Chemikerinnen und Chemiker um Professor Frank Würthner und den Doktoranden Leander Ernst untersuchten Perylenbisimid. Diese Gruppe an Farbstoffen ist bekannt für ihre außerordentliche Fluoreszenz und besonderen elektronischen Eigenschaften. Wenn man sie mit Lichtimpulsen energetisch anregt, fangen sie an zu leuchten.
➤ Mehr lesen: Ultradünne Folie macht Solarpaneele widerstandsfähiger
Deshalb gelten sie als vielversprechende Bausteine für die nächste Generation an Nano-Lasern und organischen Halbleitern. Dazu zählen etwa OLEDs, die heute schon in Displays verbaut sind.
Foldamere mit genau definierter räumlicher Anordnung
„Wir können mit unserer neuen Synthesemethode erreichen, dass die Farbstoff-Moleküle nicht irregulär gestapelt werden, sondern exakt gefaltet als sogenannte „Foldamere“ vorliegen – in genau definierter Reihenfolge und räumlicher Anordnung“, sagt Professor Frank Würthner von der Universität Würzburg in einer Aussendung. Im Gegensatz zu jenen Farbstoff-Molekülen, die sich selbst anordnen, sind die präzise gefalteten stabiler gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur und Lichteinfall.
Links die Schritt-für-Schritt-Synthese strukturell genau definierter Farbstoffstapel. Rechts die beobachtete Lichtemission in ausgedehnten Stapeln infolge einer Exzitonenlokalisation im abgeschirmten Zentrum des Stapels.
© Leander Ernst / Universität Würzbur
Das Team fand außerdem heraus, dass die Leuchtkraft der Perylenbisimid-Moleküle drastisch steigt, sobald man 4 bis 6 Einheiten übereinanderlegt. Denn dann stabilisiert sich die Struktur im Zentrum so sehr, dass externe Einflüsse abgeschirmt werden und die Lichtemission optimiert wird. Insgesamt konnten sie einen Stapel mit 14 „Lagen“ synthetisieren.
Leuchteffizienz auf 75 Prozent gesteigert
Wenn Farbstoffe dicht aneinander gepackt werden, verlieren sie üblicherweise an Leuchtkraft, weil sie sich gegenseitig „auslöschen“. Dieses Phänomen nennt sich „Quenching“, bzw. Fluoreszenzlöschung.
Für das Perylenbisimid konnten die Forscherinnen und Forscher dies überwinden: Ein Stapel aus 2 Einheiten wies in ihrem Experiment eine Leuchteffizienz von 47 Prozent auf. Bei einer Struktur aus 14 Einheiten lag die Leuchteffizienz sogar bei bis zu 75 Prozent.
➤ Mehr lesen: Neues Material soll Computerchips der Zukunft revolutionieren
Die Forscherinnen und Forscher sehen in ihren gestapelten Farbstoffen großes Potenzial für organische Halbleiter und optoelektronische Bauteile der Zukunft. Auch für die Nanoelektronik seien sie vielversprechend. Die Erkenntnisse dieser Studie in tatsächliche Produkte zu übersetzen sei allerdings noch eine Herausforderung.