Naturanaloge Nutzung                                    uni ulm April 1999
Mit Farb-Nanostrukturen Lichtenergie gewinnen
 

Farbstoffe sind allgegenwärtig, in menschlichen Produkten nicht weniger als in der Natur. Während synthetische (künstliche) Farbstoffe jedoch ganz überwiegend dazu dienen, unsere Welt »bunter«, für unser Gefühl schöner und attraktiver zu machen, kommt den natürlichen Farbstoffen stets eine davon unabhängige Funktion zu. Primär geht es um die Aufnahme der Energie von Sonnenstrahlen. In anschließenden, sehr viel komplexeren Vorgängen wird dann diese Energie genutzt, beispielsweise beim Sehprozeß im Auge zum Informationstransport oder bei der Photosynthese in Pflanzen zur Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie und zum Aufbau von Biomasse.

Diese komplizierten Prozesse erfordern jedoch nicht nur einfache Farbstoffmoleküle, sondern hochkomplizierte Anordnungen sehr vieler Farbstoffmoleküle, in denen die Vorgänge kaskadenartig ablaufen. Die Herausbildung dieser für das Leben auf der Erde unverzichtbaren Anordnungen fand im Laufe der Evolution in Millionen von Jahren statt. Erst dadurch wurde es möglich, daß sich hochdifferenzierte Lebensformen entwickeln konnten.

Das Ziel, derartige Prozesse im Reagenzglas nachzubilden, also Farbstoffe zu Funktionseinheiten zusammenzusetzen, die Lichtenergie aufnehmen, transportieren, speichern und in andere Energieformen umwandeln können, verfolgt eine Arbeitsgruppe - Dr. Frank Würthner, Armin Sautter und Christoph Thalacker - in der Abteilung Organische Chemie II (Leiter Prof. Dr. Peter Bäuerle) der Universität Ulm. Würthner, Initiator der Gruppe, war vor seinem Wechsel an die Universität Ulm als Laborleiter im Farbenlaboratorium der BASF in Ludwigshafen tätig. BASF hat schon vor hundert Jahren die ersten industriellen Farbstoffe - der bekannte Indigo sei hier beispielhaft genannt - entwickelt. Bei der BASF konnte Dr. Würthner zahlreiche Farbstoffklassen kennenlernen, die in Produkten unseres Alltags, etwa Textilien oder Autolacken und vielem anderen, zum Einsatz kommen.

Farbstoffe hochrein

Das besondere Interesse des Teams hat ein Farbstoff aus der Klasse der Perylenbisimide auf sich gezogen, der die aus dem Sonnenlicht aufgenommene Lichtenergie nicht wie die meisten Farbstoffe einfach als Wärme an die Umgebung vermittelt, sondern sie bewahrt, um sie dann wieder in Form von Lichtstrahlung abzugeben. Das kann der Perylenfarbstoff aber nur, wenn er sehr rein ist. Mit herkömmlichen Labor-Techniken läßt sich dieser Reinheitsgrad nur schwer erzielen. Kürzlich hat nun die Ulmer Universitätsgesellschaft (UUG) der Arbeitsgruppe eine Flüssigkeitschromatographie-Anlage für Drücke bis 30 bar finanziert, mit der die Farbstoffe in hochreiner Form gewonnen werden können (>99,9 %).

Das Konzept der Ulmer Chemiker sieht vor, diese hochreinen Farbstoffe zu winzig kleinen »optischen« Drähten, sogenannten Nanodrähten, zusammenzusetzen, die auf ihre Fähigkeit zum Transport der aufgenommenen Lichtenergie untersucht werden sollen. Damit der Aufbau solcher Strukturen auf der Nanoskala gelingt, ist eine zweite Substanz erforderlich, die quasi wie Mörtel die Farbstoff-Bausteine zusammenhäl

Als geeigneter »zwischenmolekularer Mörtel« erwies sich hier der auf Wasserstoffbrückenbindungen basierende Erkennungsprozeß zwischen einer Imidgruppe und einem komplementären Melamin. Auch für diesen Erkennungsvorgang kommt die Inspiration aus der Natur, sind doch ganz ähnliche Wasserstoffbrückenbindungen für die Kodierung der genetischen Information in der DNA-Doppelhelix verantwortlich. Wenn nun die beiden Komponenten, also das Perylenbisimid und das Melamin, in Lösung zusammengegeben werden, assozieren sich die beiden Komponenten zu polymeren Ketten. Unter dem Einfluß weiterer zwischenmolekularer Wechselwirkungen kommt es schließlich im Wege der Selbstorganisation zu ausgedehnten Überstrukturen (s. d. nebenstehende Abbildung).

Selbstorganisation

Ein besonderes Charakteristikum dieses Selbstorganisationsprozesses ist der hohe Ordnungsgrad der entstandenen Strukturen, der an natürliche Strukturen erinnert, die auf ähnliche Weise zustande kommen. Bei der Ausgestaltung der neuartigen Technik konnten bereits beachtliche Fortschritte erzielt werden. Die Ulmer Forschergruppe wird darüber demnächst in »Advanced Materials« berichten. Fernziel ist die naturanaloge Nutzung aufgenommener Lichtenergie in technischen Anwendungen. Bis dorthin ist der Weg aber noch weit, sind noch zahlreiche, bislang unverstandene Elementarprozesse aufzuklären. Im Rahmen des Ulmer Graduiertenkollegs »Molekulare Organisation und Dynamik an Grenz- und Oberflächen« erhielt die Gruppe hier jüngst Assistenz durch die Physiker Dr. Olaf Hollricher und Dr. Wolfram Ibach (Abteilung Experimentelle Physik der Universität Ulm, Leiter Prof. Dr. Othmar Marti), deren Expertenschaft auf dem Gebiet der optischen Mikroskopie an Nanostrukturen eine zielgerichtete Erforschung der funktionalen Eigenschaften ermöglicht.