Neue Funktion im Innere eines Fullerenkäfigs

08.09.2010: Erstmalig ist es möglich, die Redoxreaktion des Fullerens ausschließlich über das eingeschlossene Metall zu steuern. Bedeutung kann diese Methode gewinnen für die Untersuchung des Spintransports in nanoscaligen Bauelementen.

Fullerene sind käfigförmige Moleküle aus Kohlenstoff, die vor 25 Jahren entdeckt wurden. Das häufigste Fulleren - C60 - besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die einen Käfig von nur 0,71 Nanometern Durchmesser bilden. Ist dieser Hohlraum mit anderen Atomen, Ionen oder Molekülen gefüllt, spricht man von endohedralen Fullerenen. In den letzten Jahren sind unter den endohedralen Fullerenen die Nitridclusterfullerene M3N@C2n wegen ihrer großen Stabilität und der Vielfalt an Clustern im Käfig auf großes Interesse gestoßen. Forscher aus dem IFW Dresden und der Universität Hefei konnten nun zeigen, dass für den Fall eines Übergangsmetalls wie Titan im Nitridcluster TiM2N die Spindichte an eben diesem Metall(ion) lokalisiert ist.

Wird nun der Redoxzustand des gesamten Fullerenemoleküls (z. B. elektrochemisch), so ändert sich der Redoxzustand des Titans. Das ist das erste Beispiel eines endohedralen Fullerens, bei dem die Redoxreaktion des Fullerens ausschließlich über das eingeschlossene Metall abläuft. In den meisten Fällen ist der Fullerenkäfig selbst an der Redoxreaktion beteiligt. Im vorliegenden Fall kann nun der elektronische Zustand der endohedralen Spezies im Fullerene exakt eingestellt werden.

Da der endohedrale Cluster zudem noch im Fullerenkäfig rotiert, entsteht eine stark und schnell veränderliche Spindichteverteilung im TiSc2N@C80. Dieser Effekt ist von den Forschern als "Spinfluss" bezeichnet worden, der ein Ausdruck für die zeitliche Änderung der Spinpopulationen ist und der sich mit molekulardynamischen Simulationen in einem 'Spinfluss-Schwingungsspektrum' abbilden lässt. Mit dieser Methode lässt sich eindeutig zeigen, welche internen Schwingungen im Molekül mit dem Spinfluss gekoppelt sind, was nicht nur für endohedrale Metallofullerene sondern für alle Molekülarten mit dieser 'Spinfluss-Schwingungsspektroskopie' möglich ist.