Aktuelles: Kekulés geplatzter Traum: Leitern statt Schlangen

Entlang einer molekularen Leiter aus Hunderten von Benzolringen bewegen Forschende der Universit?ten Bonn und Regensburg Energiepakete hinauf und hinunter. Solche Polymere lassen sich potenziell für die Herstellung neuer Displays auf der Grundlage organischer Leuchtdioden oder für Solarzellen verwenden. Das au?ergew?hnliche Material wird nun im Journal Nature Communications beschrieben.

Im 19. Jahrhundert fragte sich die Wissenschaft, wie die Atome im r?tselhaften Benzol angeordnet sind. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网es ?aromatische“ Molekül erwies sich bald als erstaunlich einfach aufgebaut: Es bestand aus sechs Kohlenstoff- und sechs Wasserstoffatomen. Aber wie konnten sich diese zw?lf Atome im Raum anordnen, um ein chemisch stabiles Objekt zu bilden? Der Chemiker Friedrich August Kekulé, sp?ter Professor an der Universit?t Bonn, brachte Licht ins Dunkel. Der Legende nach sa? er im Winter 1861 d?send am Kaminfeuer. Kekulé hatte pl?tzlich die Vision einer Schlange, die ihren eigenen Schwanz verschlingt. Ihm wurde klar, dass die Kohlenstoffatome des Benzols kreisf?rmig angeordnet sein müssen, ?hnlich wie ein kleines Wagenrad. 

?百利宫_百利宫娱乐平台￥官网er Traum legte schlie?lich den Grundstein für die massive Expansion der chemischen Industrie gegen Ende des 19. Jahrhunderts”, sagt Prof. Dr. Sigurd H?ger vom Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie an der Universit?t Bonn, der Mitglied im Transdisziplin?ren Forschungsbereich ?Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen“ an der Universit?t Bonn ist. Benzol ist ein wichtiger Baustein etwa für Farben, Arzneimittel und Kunststoffe.

Hunderte Benzolringe in Form einer Leiter
  
Obwohl das Rad oft als ?lteste Erfindung der Menschheit genannt wird, ist die Leiter in Wirklichkeit noch ?lter. Kekulés Nachfolger an der Universit?t Bonn tr?umten nun von Molekülen in Form einer Leiter, bestehend aus Hunderten von Benzolringen. Die Forschenden vom Kekulé-Institut und vom Mulliken Center für Theoretische Chemie der Universit?t Bonn konstruierten mit einem Team um Prof. Dr. John Lupton vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universit?t Regensburg eine solche molekulare Leiter. Es handelt sich dabei um ein Molekül mit zwei Schienen aus sogenannten ?konjugierten Polymeren”, bei denen sich Doppel- und Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen abwechseln. Sie bilden die Holme, an denen man sich bei gew?hnlichen Leitern beim Emporsteigen festh?lt.

Dazu wurde zun?chst eine Vorl?uferverbindung hergestellt, die nur eine einzige Polymerschiene und anh?ngende polymerisierbare Gruppen enthielt – eine flexible ?Schlange”. Bei einem Teil des Materials wurde dann der zweite Holm der Leiter in einem nachfolgenden Schritt durch eine sogenannte Rei?verschluss-Reaktion gebildet, ?hnlich wie beim Schlie?en eines Anoraks. Auf diese Weise erhielt das Team neben dem Polymer mit einer einzigen konjugierten Schiene ein Polymer mit zwei konjugierten Schienen – die steife ?Leiter”. Beide Polymere waren gleich lang und konnten nun miteinander verglichen werden: Wie würde sich die Ausbildung einer solchen Leiter im Vergleich zur ?Schlange” auf die Eigenschaften auswirken?

Die Forschenden untersuchten die Struktur mit dem Rastertunnelmikroskop. Die winzige molekulare Leiter ist ein Nanometer (millionstel Millimeter) hoch, zwei Nanometer breit und hundert Nanometer lang. Die Form und die au?ergew?hnliche Steife der Leitern – im Vergleich zu den Schlangen – best?tigten die Chemiker durch umfangreiche Computersimulationen mit einer neuartigen Theorie, die die individuellen Bewegungen aller Atome innerhalb des Moleküls vorhersagt. 

Potenzieller Baustein für die Elektronik

?Die Leiterstruktur bleibt nicht nur erhalten, wenn die Moleküle auf einer Oberfl?che platziert werden, sondern auch, wenn sie in einer Flüssigkeit aufgel?st werden”, sagt Prof. Lupton von der Universit?t Regensburg. Dank dieser Eigenschaft k?nne Energie über das Molekül hinweg im Raum bewegt werden, was einen potenziellen Baustein für optische Netzwerke, Schaltkreise und Sensoren darstellt.

Solche Polymere leiten prinzipiell elektrische Str?me und k?nnen für die Herstellung neuer Displays auf der Grundlage organischer Leuchtdioden (OLEDs) oder für die Umwandlung von Licht in Strom in einer Solarzelle verwendet werden. Wenn Licht auf ein solches Molekül f?llt, wird es absorbiert und erzeugt ein kleines Energiepaket. Die Forschenden konnten beobachten, wie sich diese Pakete praktisch ungehindert, wie auf einer Seilbahn, die Leiter entlangbewegen. Die offenen schlangenartigen Polymere hingegen zeigen diesen Effekt nicht. Ihre Eigenschaften ?hneln denen herk?mmlicher Polymermoleküle: Die Pakete rutschen auf den “Schlangen” entlang und verlieren dabei Energie. 

Kekulés geplatzter Traum

?W?hrend der alte Kekulé das einzelne Molekül als Ring ?sah?, h?tte er sich sicher nicht tr?umen lassen, dass es einmal derart gro?e Moleküle von solcher Starrheit geben würde, die sich nicht in den eigenen Schwanz bei?en k?nnen”, fasst H?ger das Ergebnis mit einem Augenzwinkern zusammen.

 

Originalpublikation: S. A. Mei?ner, T. Eder, T. J. Keller, D. A. Hofmeister, S. Spicher, S.-S. Jester, J. Vogelsang, S. Grimme, J. M. Lupton, und S. H?ger: Nanoscale pi-conjugated ladders, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-26688-9 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)