Optische Kontrolle auf der Nanoskala durch photoschaltbare Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Josef Wachtveitl
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236629596

Molekulare Photoschalter durchlaufen eine lichtinduzierte Transformation zwischen Zuständen mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, was eine hoch selektive, räumlich-zeitlich präzise und nicht-invasive Möglichkeit der Steuerung im Nanobereich bietet. Daher sind Photoschalter für verschiedene Anwendungen in der Chemie und Biotechnologie äußerst attraktiv geworden. Selektivität und Effizienz werden typischerweise durch eine gründliche Suche nach geeigneten Substituenten erreicht und Photoschalter werden durch einfache optische Anregungsfelder ausgelöst. Zudem ist die Anwendung von Photoschaltern in der Regel eindimensional, d.h. sie werden zur Steuerung einzelner Reaktionen oder Eigenschaften eingesetzt.Bisher haben wir die Photochromie verschiedener Photoschalter und großer lichtabhängiger Konstrukte untersucht und ihr Potential zur Steuerung auf molekularer Ebene geprüft. Zentrale Aspekte sind dabei i) die Beobachtung der kohärenten Wellenpaketbewegung während der Dynamik des angeregten Zustands und ii) der Nachweis verschiedener Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten von multiphotochromen Verbindungen (exzitonische Kopplung, sterische Behinderung, etc.). Um diese Phänomene zu untersuchen, haben wir einen transienten Absorptionsaufbau für Pump-Dump/Repump-Probe- und kohärente Kontrollexperimente aufgebaut.Im neuen Projekt werden wir diesen Aufbau einsetzen, um die Rolle von kohärenten Schwingungsbewegungen in der Photochemie von Photoschaltern zu untersuchen. Das Identifizieren reaktiver Schwingungsmoden wird das rationale Design maßgeschneiderter Photoschalter unterstützen. In Multipulsexperimenten werden wir reaktive und nicht-reaktive Reaktionspfade untersuchen und die komplizierten molekularen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bestandteilen des multiphotochromen Systems analysieren. Darüber hinaus werden uns solche Anregungsschemata die optische Programmierung des Zustands von multiphotochromen Verbindungen ermöglichen, um ihr Potenzial als molekulare logische Elemente zu demonstrieren. Diese Art von molekularer Logik würde eine Kontrolle in mehreren Dimensionen gestatten, somit können komplexe Kontrollszenarien erreicht werden.Zusätzlich zu diesen Projekten werden wir mit der Entwicklung und dem Design neuartiger Photoschalter fortfahren. Wir werden die Eigenschaften von Azoheteroarenen und Hydrazonen als ultraschnelle photochrome Oszillatoren erforschen, die für verschiedene Anwendungen von Interesse sind, die von Muskeln und Motoren im Nanobereich über Informationsprozessoren bis hin zur Photopharmakologie reichen. Wir haben auch mit Arbeiten an chiralen Fotoschaltern begonnen, um diese molekulare Eigenschaft für die optische Kontrolle zu nutzen. Schließlich arbeiten wir an der Kombination von ultraschneller Spektroskopie und zeitaufgelöster Kristallographie, um ein vertieftes Verständnis der Dynamik und des Funktionsmechanismus von photoschaltbaren biomimetischen Proteinliganden zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen