Moleküle mit Quanten schalten

Prof. Dr. Birgit Weber von der Friedrich-Schiller-Universität Jena wird ein neues Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) koordinieren. Wie die DFG heute mitteilte, ist die Förderung des Programm 2491 „Interaktives Schalten von Spinzuständen“ bewilligt worden. Deutschlandweit können bis zu 30 Arbeitsgruppen im Rahmen des Programms gefördert werden. Zusätzlich unterstützt werden regelmäßige Treffen zwischen den Forschenden vor Ort in Jena, Weiterbildungen für den wissenschaftlichen Nachwuchs und die Durchführung von internationalen Fachtagungen.

Ziel des Programms ist es, molekulare Bauteile zu erforschen und zu entwickeln, deren Eigenschaften durch chemische oder physikalische Auslöser steuerbar sind. Solche Moleküle werden für verschiedenste Anwendungen in der Sensorik und Datenverarbeitung benötigt; von der Erkennung von Tumoren über die Speicherung großer Datenmengen bis hin zur Steuerung von Quantencomputern.

Hämoglobin macht’s vor

„Ein Beispiel für schaltbare Moleküle ist der rote Blutfarbstoff Hämoglobin“, erklärt Prof. Weber. „Das Eisen im Hämoglobin kann verschiedene Spinzustände einnehmen, was mit verschiedenen chemischen Eigenschaften verbunden ist – konkret mit dem Vermögen, Sauerstoff zu binden oder eben wieder abzugeben.“

Die Spinzustände von Metallkomplexen, zu denen auch Hämoglobin zählt, ergeben sich aus der Quantenmechanik. Das Eisen im Hämoglobin hat in seiner äußersten Elektronenhülle sechs Elektronen. „Es gibt insgesamt fünf Plätze, in die maximal zehn Elektronen passen“, erklärt Weber weiter. „Danach ist diese sogenannte Schale besetzt und weitere Elektronen würden in eine neue Schale kommen.“ Im Fall des Hämoglobin-Eisens gibt es nun zwei Möglichkeiten, wie diese sechs Elektronen die insgesamt fünf Plätze besetzen können: Vier Elektronen nehmen jeweils einen Platz ein, während sich den fünften Platz zwei Elektronen teilen. „Man sagt dann, diese beiden Elektronen sind gepaart, während die anderen vier Elektronen ungepaart sind“, veranschaulicht die Chemikerin. „Dieses Szenario wird als High-Spin-Zustand bezeichnet.“ Die zweite Möglichkeit, so Weber weiter, wäre, dass alle sechs Elektronen gepaart sind und so nur drei der fünf verfügbaren Plätze besetzen. „Das wäre ein Low-Spin-Zustand“, sagt Weber. Beide Zustände sind mit unterschiedlichen magnetischen und spektroskopischen Eigenschaften verbunden und damit messbar.

Chemisches Messen und Steuern

„Welches Szenario nun eintritt, das hängt beispielsweise von der chemischen Umgebung ab. In einem sauren Medium ist das anders als im alkalischen“, führt sie aus. „Auch die Temperatur kann eine Rolle spielen.“ Auf diese Weise lassen sich also Informationen über die Umgebung anhand solcher Moleküle auslesen. „Auch der umgekehrte Fall ist möglich“, erläutert die Wissenschaftlerin: „Indem z. B. durch Lichtenergie zwischen High-Spin- und Low-Spin-Zustand gewechselt wird, können auch die Eigenschaften des Moleküls beeinflusst werden.“ Auf diese Weise können die Substanzen beispielsweise lumineszent werden.

Im neuen Schwerpunktprogramm sollen diese Prozesse nun für einzelne Moleküle erforscht werden. „Es braucht dieses tiefe Verständnis, um die Eigenschaften dieser Schalter vorherzusagen und entsprechende Systeme zu designen“, erläutert Weber. „Auch fehlt es noch an ausreichendem Wissen, welchen Einfluss Trägermaterialien haben, in die solche schaltbaren Systeme eingebettet sind.“ Zu diesem Zweck sollen die schaltbaren Spin-Systeme u. a. mithilfe von ultraschnellen Messmethoden bis in den Femto-Sekunden-Bereich untersucht werden.

Das neue Schwerpunktprogramm bringt unterschiedliche Expertisen aus ganz Deutschland zusammen. „Ich freue mich auf die Zusammenarbeit mit den vielen verschiedene Teams und bedanke mich noch einmal herzlich bei den beiden Physikern Prof. Dr. Christian Bressler von der Universität Hamburg und Jun.-Prof. Dr. Manuel Gruber von der Universität Duisburg-Essen sowie der Gruppe aus der theoretischen Chemie von Prof. Dr. Vera Krewald von der TU Darmstadt und Prof. Dr. Mario Ruben vom KIT Karlsruhe, die bei der Antragstellung geholfen haben“, sagt Weber. „Ich bin sicher, dass wir zusammen einige spannende Entdeckungen machen werden.“