Dynamische 2D kovalente organische Gerüstverbindungen

• Antragsteller: Dr. Florian Auras
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525243720

Kovalente organische Gerüstverbindungen (COFs) sind zweidimensionale oder dreidimensionale kristalline, poröse Polymernetzwerke mit möglicher Anwendung in der Speicherung oder Trennung von Gasen, der Photokatalyse und Optoelektronik. Während intensiv and der Optimierung von Kristallinität und Stabilität gearbeitet wird, ist die Erzeugung einer kontrollierten strukturellen Flexibilität weitgehend unerforscht, insbesondere für 2D COFs. In diesem Projekt sollen dynamische 2D COFs entwickelt werden – teilweise flexible COFs, die reversibel zwischen mehreren Kristallphasen unterschiedlicher Porosität geschaltet werden können, ohne dabei chemische Bindungen zu brechen. Diese dynamischen Phasenübergänge lassen sich z.B. durch die Aufnahme oder Abgabe von Gas- oder Lösungsmittelmolekülen steuern. Die erforderliche Balance aus Flexibilität und Stabilität wird erreicht durch eine Kombination aus starren und biegsamen Elementen. Dies wird realisiert in einem „Weinregal“ Design, bei dem starre „Säulen“ in zwei Raumrichtungen durch biegsame „Brücken“ verbunden werden. Die Säulen bestehen dabei aus π-gestapelten aromatischen Bausteinen, z.B. Perylendiimiden (PDIs). Der grundlegende Unterschied in dem vorgeschlagenen COF Design gegenüber bekannten, nicht-flexiblen COFs ist die Einführung kleiner Lücken, mittels derer sich die Interaktionen benachbarter Brücken gezielt verringern lassen – genug, um diese biegsam werden zu lassen, jedoch nicht zu flexibel, damit ein unkontrolliertes Kollabieren des porösen Netzwerkes verhindert wird. Dieses Ziel wird mit zwei Ansätzen verfolgt: Entweder einem signifikanten lateralen Versatz zwischen den COF Schichten, oder durch eingebaute Zwischenschichten, die den Abstand entlang der Stapelrichtung erhöhen. Die Öffnung oder ein Zusammenziehen der Poren verändert den Abstand zwischen einzelnen Komponenten der COFs erheblich. Dies bietet die Möglichkeit, schaltbare optische, elektronische und magnetische Eigenschaften zu realisieren. Um diese Möglichkeiten zu illustrieren, soll in dem Projekt die Kupplung zwischen Spin-Zuständen in Abhängigkeit von der COF Geometrie erforscht werden. In einem ersten Schritt wird dazu die langreichweitige Ordnung von chemisch erzeugten radikalen Spinzuständen untersucht. Dies ermöglicht COFs mit schaltbarem Magnetismus, z.B. paramagnetische COFs bei geöffneten Poren, die durch Kontraktion der Poren ferromagnetisch werden. In einem zweiten Schritt sollen dann die geometrie-abhängigen Wechselwirkungen zwischen durch Lichtabsorption erzeugten Spinzuständen, wie z.B. Triplets, untersucht werden. Die Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag leisten zur Vertiefung des grundsätzliche Verständnisses, wie Spinzustände in hochgeordneten organischen Gerüstverbindungen interagieren, und werden das Potential der neuen dynamischen COFs hinsichtlich der Erforschung von Quantenphänomenen, z.B. für die Quanteninformationstechnologie, aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Karena Chapman