Effizientere „mehrfach schaltbare“ Moleküle könnten Datenspeicherung ankurbeln

EU-Wissenschaftler können nun modellieren, auf welche Weise komplexe Moleküle aus einem Zustand in einen anderen wechseln, wenn sie Licht ausgesetzt sind. Damit ebnen sie möglicherweise den Weg für effizientere Datenspeichereinrichtungen und andere neuartige Technologien.

Grundlagenforschung

Photochrome - oder Moleküle, die zwei Formen annehmen können - können von einer Form in eine andere umgeschaltet werden, indem sie Licht ausgesetzt werden. Sie werden für eine Vielzahl von Zwecken genutzt - denkt man nur an selbsttönende Sonnenbrillen bis hin zur Datenspeicherung. Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, wie sich das Potenzial der photochromen Verbindungen ausreizen lässt, indem ihre Schaltmöglichkeiten verbessert werden. Das EU-geförderte Projekt MARCHES (Modelling of Architectures Ruled by Coupled or Heightened Excited States) hat den Grundstein für effizientere „Multi-Photochrome“ gelegt. Dabei handelt es sich um Moleküle, die mehrere umschaltbare Einheiten auf dem gleichen Molekülkern kombinieren. Potenziell steigern sie damit die Datenmenge, die ein Molekül von einem Bit an Information enthalten könnte, auf ein Byte oder mehr. „Unter der gegenwärtigen Technologie sind die meisten Verbindungen mit zwei oder mehreren molekularen Schaltern ineffizient - in der Regel funktioniert nur einer der Schalter richtig. Unser Hauptziel ist es, verbesserte mehrfach schaltbare Moleküle mithilfe von chemischen Modellierungswerkzeugen, insbesondere der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie, einer Quantentheorie, zu entwerfen. Diese Moleküle könnten dann den Weg in Richtung komplexer und effizienter Bauelemente ebnen“, erklärt Denis Jacquemin, Projektkoordinator von MARCHES. Während des gesamten Projekts entwickelten die Wissenschaftler neue Molekül-Modellierungstechniken, mit denen die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen photochromen Verbindungen innerhalb eines Moleküls quantifiziert werden könnten. Damit konnten sie die Physik hinter den derzeitigen Beschränkungen von multiphotochromen Molekülen entdecken. „Die Herausforderung, der sich MARCHES gestellt hat, war besonders hoch, da die Schaltvorgänge durch Licht induziert werden und daher die Berechnungen vieler gekoppelter elektronisch angeregter Zustände erfordern. Allerdings ist es uns gelungen, eine Reihe neuer ergänzender Modelle für verschiedene Szenarien zu schaffen und wir erzielten Ergebnisse, die den Experimenten entsprachen“, sagt Jacquemin. Diese Modelle können nun verwendet werden, um effiziente photochrome Verbindungen zu entwerfen, die später in effizienteren Datenspeichereinrichtungen oder anderen Technikbereichen wie photochromen farbwechselnden Objekten mit mehr als zwei Farben, bei neuartigem Spielzeug und bei Kleidung verwendet werden können. MARCHES hat auch zu anderen Ergebnissen geführt. Darunter sind drei neue Patente in alternativen Zyklen für Porphyrine für optische Anwendungen wie Solarzellen, Materialien, die Weißlicht für neue Beleuchtungsvorrichtungen erzeugen, und lichtempfindliches Papier mit versteckten Markierungen, das Anwendung in der Verpackung finden könnte. Nachdem das Projekt nun abgeschlossen ist, sind die Forscher zur Erforschung von Fluoreszenzfarbstoffen übergegangen, die für medizinische Anwendungen verwendet werden könnten, sowie zur semi-quantitativen Vorhersage von Reaktionsausbeuten bei angeregten Zuständen. Diese Arbeit wird genauere theoretische Vorhersagen zulassen, die Versuche zur Erschaffung besserer fluoreszierender Moleküle voranbringen könnten. „Die Forscher konnten einige spannende Fortschritte bei Modellverbindungen verzeichnen, und wir glauben, dass Anwendungen in realen Systemen, wie zum Beispiel verbesserte Beleuchtungseinrichtungen, jetzt definitiv zum Greifen nah sind“, schließt Jacquemin.

Schlüsselbegriffe

MARCHES, schaltbare Moleküle, fluoreszierende Markierungen, Beleuchtung, Sonnenbrillen, Verpackung

Modelling of Architectures Ruled by Coupled or Heightened Excited States

Effizientere „mehrfach schaltbare“ Moleküle könnten Datenspeicherung ankurbeln

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