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Schaltbare Quantenzustände

Molekularer Schwamm für die Elektronik

18. Juni 2024, 6:05 Uhr | Heinz Arnold

Aufbau des molekularen Schwamms, den ein Forschungsteam unter Leitung von Dr. Florian Auras von der TU Dresden entwickelt hat.

Mit Hilfe eines neuen, schwammartigen Materials lassen sich mit molekularer Präzision Funktionsmaterialien herstellen, deren Eigenschaften gezielt und reversibel gesteuert werden können, etwa um schaltbare Quantenzustände zu realisieren.

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Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Dr. Florian Auras von der TU Dresden ist es gelungen, ein solches neuartiges Material in dem noch recht jungen Forschungsfeld der kovalenten organischen Netzwerkverbindungen zu entwickeln. Damit sind die Forscher dem Ziel, schaltbare Quantenzustände zu realisieren, ein Stück nähergekommen.

Bei diesen porösen kovalenten organischen Netzwerkverbindungen (Covalent Organic Frameworks, kurz COFs) handelt es sich um zweidimensionale Polymere, hochstrukturierte, poröse Materialien, die aus organischen Molekülen bestehen. Sie sind über kovalente Bindungen zu einem Netzwerk verknüpft.

Ähnlich den metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks, MOFs), die vor etwa 25 Jahren entdeckt wurden und mittlerweile Marktreife erreicht haben, zeichnen sich COFs durch vielversprechende strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften für zahlreiche Anwendungen aus, zum Beispiel bei der Gas- und Flüssigkeitsspeicherung, Katalyse, Sensorik sowie Energieanwendungen.

Die bisherigen Forschungsarbeiten zu COFs konzentrierten sich in der Regel auf die Erzeugung starrer Gerüste, deren Materialeigenschaften statisch sind. Dr. Florian Auras und sein Team an der Professur für Molekulare Funktionsmaterialien der TU Dresden haben nun erstmals eine Designstrategie für dynamische zweidimensionale COFs entwickelt, die ähnlich einem Schwamm ihre Poren schrittweise und kontrolliert öffnen und wieder schließen können.

»Das Hauptziel der Studie war, diese Netzwerke, die normalerweise zwar sehr exakt geordnet, aber starr sind, mit genau dem richtigen Maß an Flexibilität auszustatten, damit sich ihre Struktur von kompakt bis porös schalten lässt. Durch Zugabe von Lösungsmittel, das in das Netzwerk eindringt, können wir nun die lokale Geometrie und auch optische Eigenschaften wie die Farbe oder Fluoreszenz vorübergehend und reversibel verändern«, erklärt Florian Auras seinen Forschungsansatz.

Die Möglichkeit, die strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften der Materialien gezielt hin und her zu schalten, machen die Materialien für zukünftige Anwendungen in der Elektronik und Informationstechnologie besonders interessant.

»Unser Forschungsergebnis bildet die Grundlage für unsere weitere Forschung an schaltbaren Polymeren, insbesondere mit dem Ziel, schaltbare Quantenzustände zu realisieren. Mich fasziniert es bei der Arbeit an COFs immer wieder aufs Neue, wie exakt sich deren Eigenschaften durch die Kontrolle der molekularen Struktur steuern lassen«, so Auras.

Die Ergebnisse des Teams um Auras wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.