Funktionale Photoschalter bei Zimmertemperatur: Fernsteuerung metallischer elektronischer und Spinänderungen mittels Ligandendynamik

• Antragstellerin: Dr. Katharina Kubicek
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497431350

Dieses Projekt untersucht die elementaren Reaktionsschritte einschließlich der atomaren Strukturdynamik nach der photoinduzierten elektronischen Anregung von solvatisierten Molekülen und größeren Anordnungen, wie sie in funktionalen Schaltern benötigt werden. Ein Erfolg schließt auch Anwendungen in der Photokatalyse und Photovoltaik ein. Die Kenntnis und Kontrolle über ultraschnelle lichtinduzierte molekulare Schaltreaktionen ist ein anwendungsorientiertes Ziel in der Physik, Chemie und Biologie, u.a. in Hinblick auf lichtgetriebene logische Vorrichtungen und Medien für die Datenspeicherung.Wir untersuchen neuartige Spinänderungskoordinationskomplexe mit auf der Erde häufig vorkommenden Metallzentren und photochromen Liganden. Diese können über die lichtinduzierte Isomerisierung des Liganden reversibel zwischen metallischen high-spin (HS) und low-spin (LS) Zuständen bei Zimmertemperatur stabilisiert geschaltet werden. Dies ist ein Fortschritt gegenüber traditionellen Spin Crossover Komplexen, die den Spinzustand über direkte Metall-zu-Ligand Ladungstransferanregung schalten, deren HS Zustände aber bei Zimmertemperatur instabil sind. Dieses Projekt beschränkt sich also nicht auf die Photophysik am Zentralmetall, sondern löst die gewünschte Funktion indirekt durch photochemische Manipulation am Liganden aus. Dies erweitert unsere Optimierungsmöglichkeiten durch den Einsatz des chemischen Werkzeugkastens mit seiner Vielfalt an Ligandenmolekülen.Ein vielversprechendes Startsystem ist solvatisiertes [Fe(H2B(pz)2)2phen*] (pz = 1-pyrazolyl), mit einem photozyklisierbaren Diarylethenderivatliganden phen*. Dieser Komplex weist eine ungewöhnlich hohe 40%ige metallische HS -> LS Photokonversionsrate auf und bleibt bei Zimmertemperatur für fast drei Wochen stabil im LS Zustand. Er gehört zu den Ligand-Driven Light-Induced Spin Change (LD-LISC) Komplexen, die wir mit (ultra)schnellen zeitaufgelösten Methoden untersuchen werden.Mittels modernster Pump-Probe-Methoden werden wir die Dynamik der angeregten Zustände mit Piko- bis Femtosekundenauflösung aufzeichnen. Neben üblichen Labor-basierten optischen laserspektroskopischen Methoden nutzen wir Röntgenspektroskopie und -Streutechniken an Synchrotrons und Freien-Elektronen Lasern, um komplementäre Informationen über die elektronischen, geometrischen Struktur- sowie Spinänderungen zu extrahieren. Wir steuern die Reaktionswege dabei chemisch oder mittels geeigneter Multipulsanregungen, um die Stabilität und Schalteffizienz bei Zimmertemperatur zu erhöhen. Die Synthese und theoretische Beschreibung geeigneter Komplexe wird durch Experimente ergänzt, die die Details der angeregten Zustände aufdecken. Dieser Ansatz ermöglicht neue Strategien zur detaillierten Kontrolle und rational-gezielten Entwicklung neuer Photoschalter. Die indirekte Liganden-getriebene Schalttechnik verspricht die Entwicklung funktionaler und effizienter molekularer Maschinen, die stabil bei Zimmertemperatur arbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen