Nano-Farbstoffröhrchen
Hoch geordnete Farbstoffaggregate durch stufenweise Selbstorganisation
Pflanzen und eine Reihe von Bakterien können Energie aus Sonnenlicht gewinnen. Um das Licht besonders effektiv einzufangen und in chemische Energie umzuwandeln, verfügen sie über einen ausgeklügelten Photosyntheseapparat: Hunderte von Farbstoffmolekülen sind zu einer hoch geordneten Nanostruktur aggregiert. Solche Nanostrukturen würden Wissenschaftler gerne nachbauen, um neuartige Materialien für zukünftige opto-elektronische Bauteile, etwa für sehr effektive Solarzellen, zugänglich zu machen. Allerdings sind derartige hoch geordnete Architekturen aus Farbstoffmolekülen nur schwer herzustellen.
Frank Würthner und Sheng Yao von der Universität Würzburg sowie Uwe Beginn von der RWTH Aachen gelang nun ein Durchbruch: Die Forscher wählten einen so genannten Bis-Merocyanin-Farbstoff als Ausgangsmaterial für ihre Strukturen. Die Farbstoffmoleküle bestehen aus einem zentralen aromatischen Kohlenstoff-Ring, der drei Kohlenwasserstoff-"Schwänze" und zwei Merocyanin-"Arme" trägt. Mit zunehmender Konzentration des Farbstoffes findet eine stufenweise Selbstorganisation statt: Zunächst paaren sich jeweils zwei Arme, so dass lange, ungeordnete Polymerketten entstehen. Diese Ketten ordnen sich dann zu helikalen Strängen um. Im nächsten Schritt winden sich jeweils sechs solcher Helices umeinander und bilden lange Röhren. Alle Kohlenwasserstoff-Schwänze ragen dabei nach außen. Bei einer weiteren Konzentrationserhöhung durchdringen sich die Schwänze benachbarter Röhren. Die Röhren lagern sich eng in einer hexagonalen Packung zusammen. Ein Gel mit flüssigkristallinen Eigenschaften entsteht.
"Die Bildungsweise durch Selbstorganisation und die röhrenförmigen Strukturen dieser bemerkenswert definierten Farbstoffaggregate ähneln durchaus den Chlorophyll-Stabaggregaten von Photosynthesebakterien. Funktional können die artifiziellen Farbstoffaggregate mit ihren natürlichenVorbildern aber noch nicht mithalten," erklärt Würthner. "Durch strukturelle Modifikationen hoffen wir jedoch, den Schritt zu komplexen Funktionen in den nächsten Jahren vollziehen zu können."
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