In der supramolekularen Chemie spielt der Selbstorganisationszustand von Molekülen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung ihrer konkreten Eigenschaften. Die Kontrolle des selbstorganisierten Zustands hat große Aufmerksamkeit erregt, da sie genutzt werden kann, um Materialien mit gewünschten Eigenschaften wie Ladungstransportfähigkeit und Fluoreszenzwellenlänge zu entwerfen.
Seit Jahren versuchen Wissenschaftler zu entschlüsseln, wie sich die molekulare Organisation auf die Eigenschaften supramolekularer Anordnungen im Nano- (<10 nm) und mesoskopischen Bereich (10–1.000 nm) auswirkt. Die Untersuchung von Strukturen mit supramolekularen Polymeranordnungen, die aus demselben Monomer stammen, wird jedoch häufig durch dynamische Strukturänderungen und eine unzureichende Kontrolle über Selbstorganisationen behindert.
Eine aktuelle Studie veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Society, untersuchten die Eigenschaften eindimensionaler mesoskaliger supramolekularer Anordnungen aus zwei verschiedenen Strukturen, die aus demselben lumineszierenden Molekül bestehen. Es zeigte sich, dass zwei Strukturen sehr unterschiedliche Eigenschaften zeigten, je nachdem, ob ihre Moleküle in einem geschlossenen kreisförmigen Muster angeordnet waren oder nicht.
Die Studie wurde von Prof. Shiki Yagai von der Universität Chiba geleitet, mit Sho Takahashi, einem Doktoranden an der Graduate School of Science and Engineering der Universität Chiba, als Erstautor. Zu den korrespondierenden Autoren zählten auch Prof. Martin Vacha vom Department of Materials Science and Engineering des Tokyo Institute of Technology und Dr. Hikaru Sotome von der Graduate School of Engineering Science der Universität Osaka.
„Die geometrische Schönheit einer kreisförmigen Struktur, die keine Enden und Ecken hat, hat die Menschen fasziniert. Chemiker haben die Synthese riesiger zyklischer Moleküle mithilfe verschiedener Ansätze realisiert, um nicht nur schöne Strukturen zu schaffen, sondern auch um die Eleganz des Prozesses zu konkurrieren.“ so schöne Strukturen zu synthetisieren“, sagt Prof. Yagai.
„Das beste Beispiel dafür, wie die Natur die funktionale Schönheit kreisförmiger Strukturen nutzt, wäre das lichtsammelnde Antennenorgan (LH2, LH1) violetter photosynthetischer Bakterien. LH2 hat aufgrund der hervorragenden Selbstorganisationsfähigkeit des Proteins eine wunderschöne kreisförmige Struktur, und das ist es auch.“ dachte, dass durch die Anordnung von Chlorophyllfarbstoffen in einer kreisförmigen Anordnung auf der Grundlage dieses Gerüsts eine schlanke Lichtsammlung und Anregungsenergieübertragung erreicht werden kann.“
Durch die Selbstorganisation lumineszierender Moleküle, die auf der Grundlage ihres eigenen Moleküldesigns synthetisiert wurden, erhielt das Team eine Mischung aus zwei eindimensionalen π-konjugierten Molekülaggregaten mit unterschiedlichen Strukturen, nämlich terminusfreien zyklischen Strukturen (Toroiden) und zufällig gewundenen Strukturen. Die Mischung zeigte eine Lumineszenz mit niedriger Energie und geringer Intensität.
Die beiden Strukturen wurden mithilfe einer neuartigen Dialysetechnik getrennt, die den Unterschied in ihrer kinetischen Stabilität ausnutzte. Nach der Trennung zeigte sich, dass die terminusfreie geschlossene toroidale Struktur im Vergleich zu Zufallsspulen zu höherer Energie und effizienterer Lumineszenz führte. Das Team führte ultraschnelle Laserspektroskopie durch, um den Mechanismus ihrer topologieabhängigen Fluoreszenzeigenschaften zu untersuchen.
Die Ergebnisse zeigten, dass Zufallsspulen mit Enden aufgrund von Defekten, die durch Fluktuationen in der Lösung erzeugt wurden, Anregungsenergie verloren, im Gegensatz zu Toroiden, die sich nicht leicht verformen ließen und Fluoreszenz ohne Energieverlust zeigten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in der gemischten Lösung aus Toroiden und Zufallsspulen die Anregungsenergie aufgrund der Agglomeration beider Anordnungen vom Toroid auf die Zufallsspule übertragen wurde und nur die von der Zufallsspule abgeleitete Lumineszenz beobachtet wurde.
Diese Studie etabliert die morphologische Kontrolle von Materialien auf der Mesoskala als mögliche neue Richtlinie für das Design funktionaler Materialien. Es wird auch hervorgehoben, dass es bei Materialien, die zu supramolekularem Polymorphismus neigen, wie etwa dem Toroid und der Zufallsspule, unbedingt erforderlich ist, die Anordnungen zu reinigen, bevor ihre photophysikalischen Eigenschaften analysiert werden. Wenn sie nicht getrennt werden, spiegeln die erhaltenen Ergebnisse aufgrund des Energietransfers zwischen verschiedenen Strukturen möglicherweise nur verzerrte Eigenschaften statt unterschiedlicher Eigenschaften wider.
Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse die Entwicklung flexibler Hochleistungsgeräte unter Verwendung zyklischer molekularer Anordnungen fördern können.
„Wir können mit Freude sagen, dass hier ein Zusammenhang zwischen struktureller Schönheit und funktionaler Schönheit gefunden wurde, sogar in molekularen Anordnungen im Mesomaßstab. Wir glauben, dass die Erkenntnisse aus unserer Studie dazu beitragen könnten, die Leistung von Solarzellengeräten und lichtemittierenden Geräten in zu verbessern.“ Dadurch wird ihre Akzeptanz auf lange Sicht erleichtert und das Leben der Menschen bereichert“, schließt Prof. Yagai.
Mehr Informationen:
Sho Takahashi et al., Einfluss des Ringschlusses auf die photophysikalischen Eigenschaften eindimensionaler π-konjugierter Molekülaggregate, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c11407