SPP 2491
DFG-Schwerpunktprogramm zum interaktiven Schalten von Spinzuständen
Farbstoffmarkierte Nanopartikel
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Kickoff-Meeting SPP 2491
Achtung
Die Ausschreibung für die erste Antragsrunde im SPP 2491 ist am vorigen Mittwoch erschienen. - Klick für mehr Informationen -
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Foto: Birgit WeberSchalter sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken: Wir schalten die Belüftung ein, indem wir einen Knopf drücken, das Licht, indem wir in die Hände klatschen, oder unsere Telefonkameras, indem wir auf den Bildschirm tippen. Dieses Schwerpunktprogramm befasst sich mit dem Schaltvorgang in der nanoskopischen Welt, mit Schaltern, die aus Molekülen bestehen. Ein molekularer Schalter wechselt als Reaktion auf einen externen chemischen oder physikalischen Reiz zwischen zwei Zuständen. Dabei verändern diese Moleküle ihre spezifischen Eigenschaften, z. B. Emission, Polarisation oder Magnetismus. Eine besonders vielversprechende und vielseitige Klasse von Molekülen für diesen Zweck sind die Übergangsmetalle. Hier kann der Spin der Elektronen, eine grundlegende Quanteneigenschaft, gepaart oder ungepaart sein, was zu zwei Zuständen mit unterschiedlichem Gesamtspin führt.
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Foto: Birgit WeberDie Umschaltung des Spinzustands ist bei vielen Prozessen unerlässlich. Ein Beispiel ist die reversible Bindung von Sauerstoff in dem roten Blutfarbstoff Hämoglobin. Hier findet ein Spin-Zustandswechsel am Eisenzentrum statt, der mit strukturellen Veränderungen einhergeht, die für eine effiziente Sauerstoffaufnahme und -abgabe wichtig sind. In technologischen Prozessen ist der Spin-Zustandswechsel ebenso wichtig: in der Katalyse kann er die Reaktionswege verändern, und in Geräteanwendungen kann er als Sensor oder Speichereinheit dienen. Während der Schaltprozess selbst molekularen Ursprungs ist, wurde das Phänomen bisher hauptsächlich in der Masse untersucht. Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schaltern führen zu einem kooperativen Verhalten, das zur besseren Steuerung der Materialeigenschaften eingestellt werden kann. Zwar wurden auf diesem Gebiet beträchtliche Fortschritte erzielt, doch fehlt es noch immer an einem tiefgreifenden Verständnis, das es uns ermöglichen würde, Systeme mit Eigenschaften wie schaltbarer Lumineszenz für Sensoranwendungen oder Leitfähigkeit für die Geräteintegration vorherzusagen und zu entwerfen. Auch die Wechselwirkung von Molekülen, die den Spinzustand wechseln, mit einer Matrix oder Oberfläche ist noch nicht ausreichend erforscht. Dies ist für die Integration solch komplexer molekularer Systeme in Verbundwerkstoffe erforderlich. Einen Weg zum Verständnis der Wechselwirkung von Spinzustandsschaltern mit der Umgebung bieten die jüngsten Entwicklungen bei ultraschnellen Beugungs- und elektronischen Spektroskopiemethoden zur Verfolgung der strukturellen und elektronischen Veränderungen, die mit Spinzustandsschaltern einhergehen, in Verbindung mit den Fortschritten bei der theoretischen Beschreibung solcher Systeme.
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Grafik: Birgit WeberZiel des SPP 2491 „Interactive Spin-State Switching“ ist die Entwicklung von molekularen Schaltern, die, ausgelöst durch physikalische und chemische Reize, ihren Gesamtspinzustand ändern, um Prozesse zu steuern, die mit i) Emission, ii) Polarisation und iii) magnetischen Eigenschaften in Geräten zusammenhängen. Solche neuartigen molekularen Bauelemente werden für die Quantenwissenschaften und -technologie (z. B. Qubit-Steuerung), für Sensoranwendungen (z. B. Tumordetektion) und für die Informationsverarbeitung (z. B. Speicherung mit hoher Dichte) von größter Bedeutung sein. Um dies zu erreichen, wird das SPP 2491 neue Konzepte für das Schalten bei niedriger Energie erforschen, neue Auslesekanäle schaffen und möglicherweise zur Entdeckung konzeptionell neuer Schaltmechanismen führen.