(Sonnen-)Lichtnutzung und Lichterzeugung – Chemische Forschung gewinnt an Fahrt

Im Zentrum stehen neue Materialentwicklungen in der und für die Photochemie sowie auch die theoretischen Grundlagen der nach Lichteinstrahlung oder bei Lichtemission ablaufenden photochemischen und photophysikalischen Prozesse.

Das alles ist beispielsweise wichtig für verbesserte Solarzellen, optisch schaltbare Materialien (Photoschalter) oder neue Leuchtstoffe. „Aber“, so Professor Dr. Jochen Mattay, der die Tagung organisiert, „die Vorträge in Bielefeld umfassen weit mehr Bereiche der Chemie bis hin zu den Biowissenschaften.“

Weil die Photochemie eine Disziplin mit deutlich physikalisch-chemischer Prägung ist, hat erstmals die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie (DBG) an der Programmgestaltung mitgewirkt. Den Eröffnungsvortrag allerdings hält GDCh-Präsident Professor Dr. Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Unter der Überschrift

„Nanoemitters by Design“ greift er zunächst das Thema Organische Farbstoffe auf, die ehemals einzig Forschungsgebiet organischer Synthesechemiker waren, jetzt aber, auch von Physikern und Materialwissenschaftlern genauer betrachtet, eine neue wissenschaftliche Dimension erschließen.

Farbstoffe absorbieren und/oder emittieren Licht bestimmter Wellenlänge. Auf diese Vorgänge, die man immer besser versteht, kann man mittlerweile auch immer besser Einfluss nehmen, nicht nur im Bereich des sichtbaren Lichts, sondern auch des nahen Infrarots. So erzielt man höhere Quantenausbeuten bei der Fluoreszenz und auch höhere Lichtechtheit. Aber ohne die Kunst der organischen Synthetikers geht es nicht: Aufgrund der erzielten Ergebnisse werden von ihnen neue molekulare und supramolekulare Strukturen kreiert. Diese Strukturen der neuartigen Farbstoffe müssen funktionelle Gruppen erhalten, damit sie beispielsweise an konjugierte Polymere binden, um mit deren Hilfe den Energietransfer zu ermöglichen, also die Energie des absorbierten Lichts weiterzuleiten. Um einen Elektronentransfer einzuleiten, müssen anders geartete funktionelle Gruppen an Halbleiteroberflächen binden. Und noch ganz anders gestaltet sich die chemische Funktionalisierung, wenn man die neuartigen Strukturen mit Biopolymeren verbinden möchte, um diese zu identifizieren.

Müllen stellt in seinem Vortrag eine neue Familie von Farbstoffen vor, die sich von kommerziell genutzten Perylencarboxdiimiden ableiten (für die Herstellung von Perylenfarbstoffen wurden bereits 1912 die Grundlagen geschaffen; als Rylene bezeichnet man polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit Naphthalin als Wiederholungseinheit sowie zusätzlichen farbgebenden Gruppen).

An Beispielen zeigt Müllen auf, warum einige Mitglieder der Farbstofffamilie sich für elektronische und optoelektronische Anwendungen eignen, beispielsweise für selbstleuchtende PLEDs (polymeric light emitting diode) zur Entwicklung neuer Flachbildschirme, wann sie die Markierung von Substanzen ermöglichen, deren Weg durch einen Organismus verfolgt werden soll (beispielsweise Wirkstoffe auf ihrem Weg durch den menschlichen Körper) oder wie sie beschaffen sein müssen, um sie bei der Laserbeschriftung oder -gravur einzusetzen. Insbesondere verweist er auch auf ihre aktive Rolle in der Einzelmolekülspektroskopie, bei der neue Varianten der Farbstofffamilie ins Spiel kommen: dendritische, also verzweigte, Multichromophore sowie organisch/anorganische oder biosynthetische Hybride.

Auf die Einzelmolekülspektroskopie an Polymeren hat sich Dr. Domink Wöll, Universität Konstanz, spezialisiert. In seinen Arbeiten, die er an der Katholischen Universität Leuven durchgeführt hat, gelang es ihm erstmals, radikalische Polymerisationen auf Einzelmolekülebene zu untersuchen. Dabei beobachtete er die molekulare Bewegung von einzelnen Fluoreszenzsonden auf Basis von Perylendiimid-Abkömmlingen, die in die wachsende Polymerkette eingebaut wurden, und konnte feststellen, wann Heterogenitäten während der Polymerisation entstehen. Solche Heterogenitäten beeinflussen in hohem Maße die Eigenschaften des gebildeten Polymers und sind bei der Bildung von polymeren Netzwerken besonders ausgeprägt.

Doch zurück zu den LEDs. Die PLEDs sind eine Form der OLEDs, der organic light emtting devices. In der Arbeitsgruppe um Professor Dr. Klaus Meerholz von der Universität zu Köln experimentiert man mit phosphoreszierenden Farbstoffen, die aus einem langlebigeren Anregungszustand, dem Triplett-Zustand, heraus Licht emittieren. Man spricht von PhOLEDs. (Ein Molekül wird durch Energieaufnahme vom Grundzustand in einen Anregungszustand versetzt. Fluoreszierende Farbstoffe emittieren Licht, wenn sie aus dem kurzlebigeren Singulett-Anregungszustand in den Grundzustand zurückkehren.) Zwar lässt sich die Effizienz mit PhOLEDs steigern, aber noch mangelt es an Helligkeit, und außerdem müssen die PhOLEDs mit höherer Spannung betrieben werden.

Hinter diesen Tatsachen verbergen sich viele offene Fragen, die u.a. die Stabilität und Lebensdauer der Anregungszustände oder den Einfluss der Polaronen, von der Quantenphysik definierte Ladungsträger, betreffen. Auch hierzu wurden in Köln Versuche gemacht, und zwar mit einem phosphoreszierenden Platinporphyrin. Dessen Triplett-Zustände werden offenbar von den Polaronen „gelöscht“, und zwar deutlich abhängig von der Umgebung, in der sich der Phosphoreszenzfarbstoff aufhält.

In der Grundlagenforschung zur Photosynthese oder in der angewandten Forschung zu Solarzellen treten ganz ähnliche Fragestellungen auf. Da ihre Antworten essentiell sind für die angestrebte effizientere technische Nutzung der Sonnenenergie, befassen sich z.Zt. sehr viele, nicht nur photochemisch ausgerichtete Arbeitsgruppen mit diesen grundsätzlichen Fragen, wie auch die Bielefelder Tagung zeigt. Auf ihr wird der Japaner Professor Dr. Masahiro Irie von der Rikkyo Universität in Tokio mit der Theodor-Förster-Gedächtnis-Vorlesung, einer international hoch angesehenen Auszeichnung für Photochemiker, geehrt. Iries wissenschaftliche Verdienste liegen u.a. auf dem Gebiet der photochromen Substanzen, Farbstoffen, die durch Lichteinstrahlung reversibel ihre Farbe ändern.

Solchen optischen Schaltern, beispielsweise aus Diarylethenen oder Dithienylethenen, sagt man eine große Zukunft für optische (oder auch organische) Speicher voraus. Auch aufbauend auf Iries Arbeiten hat Dr. Philipp Zacharias am Institut für Physikalische Chemie der Universität zu Köln seine Doktorarbeit über Licht emittierende organische Speicher (LE-OMEM) angefertigt. Weil er mit viel Talent und synthetischem und analytischem Geschick photochemische und photophysikalische Methoden angewendet hat, um die Bauteile zu optimieren und ihre Wirkungsprinzipien zu verstehen, erhält er in Bielefeld den Albert-Weller-Preis. Beide Auszeichnungen werden von der Fachgruppe Photochemie der GDCh und der DBG vergeben.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) gehört mit über 28.000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 25 Fachgruppen und Sektionen, darunter die Fachgruppe Photochemie mit über 300 Mitgliedern. Ihre Ziele auf dem Gebiet der Photochemie und ihren Grenzgebieten sind: den Gedankenaustausch unter Fachkollegen zu fördern und fachliche Anregungen zu vermitteln, die Beziehungen zu entsprechenden Organisationen im Ausland zu pflegen, die fachbezogene Lehre im Chemieunterricht an den Hochschulen zu verankern bzw. zu stärken und den wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern.