12.08.2021 - University of North Texas

Schaltbare IR-aktive organische Pigmente

Gemischtvalenter organischer Farbstoff absorbiert im Nahen Infrarot

In der Photosynthese und der organischen Photovoltaik wandeln Pigmente Licht in elektrische Ladung um. Wissenschaftler haben nun ein ungewöhnliches organisches Pigment hergestellt, das sich durch elektrische Ladung „anschalten“ und dann zu einem intensiven Farbstoff wird, der Licht im Nahinfrarotbereich absorbiert. Solche Systeme sind für neue Anwendungen für organische Leuchtdioden, in der Photovoltaik und der Sensorik interessant. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Angewandte Chemie publiziert.

Geladene Pigmente mit intensiven Farben sind bislang vor allem von Metallen bekannt. Ein eindrückliches Beispiel ist das Berliner Blau oder Preußischblau mit seiner tiefblauen Farbe. Chemisch gesehen sind solche Farbstoffe symmetrische Moleküle, bei denen eine Seite stärker geladen ist als die andere. Die Seiten stehen im elektronischen Austausch, und das Molekül „schluckt“ (absorbiert) das Licht in dieser Austauschenergie.

Rein organische, ähnlich intensive Pigmente gibt bislang noch wenige. Francis D’Souza von der University of North Texas und Kolleg:innen haben nun ein modulares organisches Molekülsystem genau zu diesem Zweck entwickelt. Organische Materialien haben gegenüber Metallen den Vorteil, dass sie leicht veränderbar sind. Zusätzlich wählte das Team einen modularen Aufbau, um möglichst variabel Segmente mit verschiedenen Eigenschaften zusammenstellen zu können.

Das Mittelstück des neuen Moleküls bestand aus einem rot fluoreszierenden Farbstoffmolekül. Auf beiden Seiten brachten die Forscher:innen dann einen zweiteiligen „Push-Pull“- oder „Donor-Akzeptor“-Bereich an. Diese molekularen Teilstücke können unter bestimmten Voraussetzungen elektrische Ladungen stabilisieren. Insgesamt hatten sie also ein Molekülsystem aus zwei identischen Donor-Akzeptor-Molekülen erstellt, die über ein weiteres Farbstoffmolekül elektronisch miteinander gekoppelt waren.

Im ungeladenen Zustand war das Pigment lediglich ein Farbstoffmolekül von blauer Farbe. Erst bei elektronischer Aufladung entfaltete es seine Wirkung: Die Forscher:innen beobachteten das Entstehen einer intensive neuen Absorptionsbande. Allerdings nicht im sichtbaren Licht. Der neue Farbstoff absorbierte im nahen Infrarot, also im Übergang vom sichtbaren Licht zur Wärmestrahlung.

Erst durch die Resonanz zwischen den beiden Donor-Akzeptor-Einheiten wurde die Absorption möglich. „Das zusätzliche, freie Elektron hüpft zwischen den beiden chemisch gleichen Akzeptoreinheiten hin und her, dadurch entsteht eine neue Bande für die Ladungsübertragung im nahen Infrarotbereich,“ erklärt D’Souza die Physik des Pigments. Das Molekül war zu einer gemischtvalenten Verbindung geworden, mit ähnlichen Eigenschaften wie die metallischen Verbindungen.

Damit seien die elektronisch anschaltbaren, organischen Pigmente hervorragende Modellsubstanzen für die Grundlagenforschung, um die Theorie der Elektronenübertragung wie zum Beispiel in der Photosynthese besser zu verstehen, meint D'Souza. Zudem seien sie hervorragende Elektronentransporter in photonischen Bauelementen und eigneten sich als Marker, um die Elektronenübergänge zu diagnostizieren.

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