Photochrome Moleküle als Speicher und Schalter



Photochromie
Stilisierte Absorptionsspektren eines Fulgids in beiden Isomerisierungszuständen
Als Photochromie bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter Moleküle, unter Lichteinfall ihren Isomerisierungszustand reversibel zu ändern. Bei dem links dargestellten Thiophenfulgid existieren zwei stabile Isomere, E und C. Beim farblosen E-Isomer ist der Kohlenstoffring in der Mitte des Moleküls offen. Beleuchtet man das Molekül mit UV-Licht, so schliesst sich der Ring und das Molekül (nun ein C-Isomer) bekommt eine kräftige violett-rote Farbe. Absorbiert es sichtbares (am Besten grünes) Licht, so öffnet sich der Ring, das Molekül schaltet in den E-Zustand und ist wieder farblos.
Solche Moleküle werden z.B. in Brillengläsern verwendet, die bei starker Sonneneinstrahlung dunkel werden. Es wurde jedoch auch immer wieder daran gedacht, photochrome Moleküle als optische Datenspeicher zu benutzen. Ganz entscheidend hierbei ist die Geschwindigkeit, mit der dieser Schaltvorgang abläuft.


Transiente Absorption

Transiente Absorption, schematische darstellungDurch Absorptions-Spektroskopie ist relativ leicht zu ermitteln, in welchem Isomerisierungszustand sich das Molekül befindet. Schliesslich sieht man bereits mit blossem Auge die kräftige Farbe des C-Isomers. Die Geschwindigkeit des Schaltvorgangs ist jedoch experimentell anspruchsvoller, da dieser innerhalb von Picosekunden abläuft.
Wir verwendeten die Methode der Transienten Absorption. Dabei werden zwei aufeinanderfolgende Laserpulse in kurzem zeitlichen Abstand auf die Probe gelenkt. Der erste Puls (monochromatisch) regt die Moleküle an, löst also in unserem Fall den Schaltvorgang aus. Der zweite Puls (weisses Licht) wird verwendet, um ein Absorptionsspektrum aufzunehmen. Die beiden Pulse werden auf optischem Wege aus einem einzelnen Laserpuls erzeugt.
Mehr zu der Methode ist hier zu finden.

Molekulare Speicher

DiagrammEntscheidend bei der Verwendung photochromer Moleküle als Datenspeicher ist neben der Langzeitstabilität vor allem die Schaltgeschwindigkeit. Beim Fulgid war das für die Ringschluss-Reaktion (von E nach C) bereits geklärt, für die Ringöffnung  jedoch noch nicht. Im Rahmen meiner Diplomarbeit konnten wir zeigen, dass die Reaktion (bei einem Adamantyliden-Furanfulgid) in 1-1,5 Picosekunden abläuft.
In dem Diagramm ist zu sehen, wie die C-Bande nach Anregung ausbleicht. Zum Zeitpunkt t=0 wird das Molekül von dem Anregungspuls getroffen.
Molekulare Schalter

Schema: Fulgid als SchalterPhotochrome Moleküle können auch genutzt werden, um einen intramolekularen Energietransfer zu schalten. Im Bild ist ein Fulgid, das als Schalter (S) fungiert, mit einem Anthracenmolekül als Donator (D) und einem Coumarinmolekül als Akzeptor (A) verbunden. Regt man nun das Anthracenmolekül mit einem Laserpuls an während das Fulgid im E-Zustand ist, so beobachtet man Coumarinfluoreszenz: die Anregungsenergie wurde von der Anthryleinheit auf den Akzeptor Coumarin übertragen. Ist hingegen das Fulgid im C-Zustand, dann beobachtet man diese Fluoreszenz nicht.
Andere photochrome Moleküle (in unserem Fall Dithienylethen) können ganz analog Ladungstransfers schalten.
Vielleicht werden photochrome Moleküle eines Tages Schalteinheiten in einer molekularen Elektronik sein und dort die Aufgaben der heutigen Feldeffekt-Transitoren auf Halbleiterbasis übernehmen.

Literatur

Ingo Ramsteiner:
Transiente Absorption zum Optischen Schalten Intramolekularer Transferprozesse, Diplomarbeit, Universität Stuttgart 2000.

I.B. Ramsteiner, A. Hartschuh, H. Port:
Relaxation pathways and fs dynamics in a photoswitchable intramolecular D -> A energy transfer system, Chem.Phys.Lett. 343 (1-2) 83-90 (2001)

A. Hartschuh, I.B. Ramsteiner, H. Port, J.M. Endtner, F. Effenberger:
Photocontrol on ultrafast excited state transfer processes,  J.Lum. 108 (1-4) (2004)

H. Port, P. Gärtner, M. Hennrich, I. Ramsteiner, T. Schock:
Ultrafast photochromic reactions of fulgide photoswitches, Mol.Cryst.Liq. Cryst. 430 15 (2005)

Diese Arbeiten wurden am 3.Physikalischen Institut der Universität Stuttgart in der Gruppe von Dr. Helmut Port durchgeführt. Hauptberichter der Arbeit war Prof. Jörg Wrachtrup. Ich danke ganz besonders Prof. Achim Hartschuh, der mich in dieser Zeit betreut hat und von dem ich viel gelernt habe.