Quantenchemische Untersuchung des Einflusses orientierter externer elektrischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften von Mechanophoren in Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr. Tim Neudecker
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441071849

Orientierte externe elektrische Felder (OEEFs) können dazu verwendet werden, diverse chemische Reaktionen zu katalysieren, da sie zwitterionische Resonanzstrukturen im Übergangszustand energetisch begünstigen. Desweiteren verändern OEEFs die Geometrien und Dissoziationsenergien chemischer Bindungen. Die zentrale Hypothese des hier beantragten Projekts ist, dass OEEFs die mechanischen Eigenschaften von Molekülen, welche im Fokus des schnell wachsenden Feldes der Mechanochemie stehen, gezielt beeinflussen können. Es soll gezeigt werden, dass ein OEEF die Kraft, die zum Zerreißen einer Bindung benötigt wird, herabsetzen kann. Zu diesem Zweck wird die Stärke des OEEFs sowie dessen Ausrichtung zum Mechanophor, also einer molekularen Untereinheit eines Polymers, welche auf externe Kraft durch signifikante geometrische Veränderungen reagiert, optimiert.In diesem Projekt werden quantenchemische Methoden verwendet, da es experimentell äußerst schwierig ist, die relative Orientierung von OEEFs und Molekülen präzise einzustellen. Mechanische Kräfte werden durch die EFEI (engl. External Force is Explicitly Included) Methode angelegt. Dies ermöglicht die Berechnung der Kraft, die für das Zerreißen des Moleküls verwendet werden muss. Die mechanischen Eigenschaften des Moleküls werden mit der JEDI (engl. Judgement of Energy DIstribution) Analyse optimiert.Zu Anfang des Projekts wird durch Vergleiche mit exakten Referenzwerten eine quantenchemische Methode identifiziert, die die genaue und gleichzeitig kosteneffiziente Berechnung von mechanischen Eigenschaften von Molekülen in starken elektrischen Feldern erlaubt. Anschließend werden die Kräfte, welche zum Zerreißen von Molekülen in diversen bekannten mechanochemischen Reaktionen benötigt werden, unter der Anwesenheit von OEEFs mit verschiedenen Stärken und Orientierungen berechnet. Die Untersuchung externer Einflüsse wie Temperatur und Umgebung des Mechanophors runden das Arbeitsprogramm ab. Diese Studien ermöglichen eine anschließende experimentelle Überprüfung.Die potenziellen Anwendungen der Verbindung von OEEFs mit Mechanochemie sind faszinierend: Zunächst ermöglicht der gleichzeitige Einfluss von OEEFs und mechanischer Kraft eine duale Schaltung der mechanischen Eigenschaften des Moleküls, also eine kontrollierte Zu- oder Abnahme der Kraft, die für einen Bindungsbruch im Polymer benötigt wird. Dies ist besonders im Kontext von mechanochromen Materialien interessant, in welchen eine Farbänderung eintritt, sobald eine charakteristische Mindestkraft ausgeübt wird. Desweiteren beruhen viele selbstheilende Polymere auf der kraftinduzierten Entstehung von Radikalen und der darauffolgenden Rekombination benachbarter Polymerstränge. OEEFs hingegen wurden bereits dazu verwendet, typischerweise homolytische in heterolytische Bindungsbrüche zu überführen. Aus der Kombination von OEEFs und Mechanochemie ergibt sich somit potenziell die Möglichkeit, die Selbstheilung von Polymeren an- oder auszuschalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen