Bipolare Molekulare Rotoren in SURMOFs

• Antragsteller: Privatdozent Dr. André Beyer; Professor Dr. Rainer Herges; Ian Howard, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316660646

In einem molekularen Rotor kann sich ein Teil des Moleküls (der Rotator) in Bezug zu einem festen Teil des Moleküls (dem Stator) ungehindert drehen. Wenn der Rotator ein Dipolmoment enthält, spricht man von einem dipolaren molekularen Rotor, und ein elektrisches Feld kann den dipolaren Rotor ausrichten. Werden viele dipolare molekulare Rotoren zu einem Array zusammengesetzt, wechselwirken ihre Dipolmomente miteinander. Falls das freie Volumen hinreichend groß ist, wodurch eine ungehinderte Rotation möglich wird, kann die Summe der resultierenden Drehmomente zwischen allen Dipolen zu einem kollektiven Verhalten führen. Auf diese Weise können sich spontan geordnete Dipolmuster ausbilden. Trotz erheblicher Anstrengungen wurde eine solche spontane Ordnung bisher nur in einem 2D-Array auf einer Oberfläche nachgewiesen. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von 3D-Arrays mit dipolaren Rotoren und Prototyp-Bauelementen, welche die Lichttransmission modulieren, indem sie die Rotatoren von einem spontan geordneten Zustand in einen feldorientierten Zustand schalten. Dabei konzentrieren wir uns auf die Entwicklung von dipolaren molekularen Rotoren, aus denen oberflächenverankerte metallorganische Gerüstverbindungen (SURMOFs) hergestellt werden können. Bei diesen molekularen Rotoren stellt der Stator die Verbindung zwischen benachbarten Metallzentren her und der Rotator dreht sich um die durch den Stator definierte Achse. Die Verwendung solcher Strukturen zur Verankerung von dipolaren Rotoren ist optimal, da das für die Rotation notwendige freie Volumen sichergestellt werden kann, während gleichzeitig die Abstände zu den nächsten Nachbarn so klein einstellbar sind, dass Dipol-Dipol-Wechselwirkungen signifikant bleiben. Auf diese Weise können optimale Bedingungen zur Erzeugung eines kollektiven Verhaltens realisiert werden, und die SURMOF Form als dünne Schicht ist ideal für die Integration in Bauelemente.In der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogramms COORNETs haben wir die erste Generation an dipolaren Rotor-Bausteinen in SURMOFs erfolgreich implementiert und gezeigt, dass darin die Barriere für die Rotation sehr klein ist (in der Größenordnung von kJ/mol). Dies sind sehr vielversprechende Ergebnisse, aber angesichts des moderaten Dipolmoments dieser dipolaren Rotoren (2,6 D) konnten wir noch keinen eindeutigen Nachweis für ein spontan geordnetes kollektives Verhalten finden. Wir haben die Grundlagen für die dielektrische und optische Charakterisierung sowie die Herstellung von Bauelementen (mit insgesamt sieben SPP-bezogenen Publikationen im ersten dreijährigen Förderzeitraum) gelegt. In der zweiten Periode werden wir die Dipolmomente und die optische Absorption der dipolaren Rotoren erhöhen, wobei wir uns auf die Erreichung der spontanen Ordnung konzentrieren. Wir werden auch Bauelemente mit Graphen-Elektroden entwickeln, die den dipolaren Rotor-SURMOF kontaktieren, um seine optische Transmission zu schalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1928: Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme