Oberflächenmodifizierung Nanostrukturen
Oberflächenmodifizierung von Nanostrukturen via Raman-Spektroskopie: Vonlanthen entwickelte Methoden zur Echtzeitbeobachtung von Charge-Transfer in der Nanoelektronik.
Teile diese Seite!
Email
WhatsApp
LinkedIn
Wenn ein Molekül seine Farbe wechselt
Manche Moleküle verändern messbar ihre elektronischen Eigenschaften, sobald man ihnen Elektronen entzieht oder zuführt – ein Verhalten, das sich elektrochemisch gezielt auslösen und beobachten lässt. Genau das untersuchten wir an einer neuen Klasse von n-Typ-Materialien, den Dicyanocyclophanen.
Elektrochemie als Werkzeug, nicht nur als Messmethode
Mit zyklischer Voltammetrie liessen sich die Moleküle kontrolliert oxidieren und reduzieren – reversibel, sauber, mehrfach wiederholbar. Kombiniert mit optischer Spektroskopie während der elektrochemischen Anregung (Spektroelektrochemie) konnten wir direkt beobachten, wie sich die Elektronenverteilung im Molekül je nach Ladungszustand verschiebt.
Quantenchemie im Labor: ein Lehrbuch-Experiment
Was dieses System elektrochemisch so bemerkenswert macht: Jeder einzelne Redoxschritt – jede Oxidation, jede Reduktion – lässt sich präzise und reproduzierbar in Abhängigkeit vom Torsionswinkel des Moleküls verfolgen. Sauber reversibel, ohne störende Nebenreaktionen, mit einem direkt sichtbaren Zusammenhang zwischen Struktur und Elektronik. Mit vergleichsweise einfachen elektrochemischen Experimenten wird so etwas eigentlich Abstraktes wie die π-Orbitalüberlappung zwischen den Ringsystemen systematisch sichtbar – man sieht dem Molekül beim Drehen quasi beim Denken zu. Was in der Theorie oft nur als Formel oder Orbitaldiagramm existiert, wird hier im Labor direkt messbar: Quantenchemie zum Anfassen, nicht nur zum Berechnen. Selten lässt sich Elektrochemie so anschaulich und lehrbuchhaft demonstrieren wie hier – ein Musterbeispiel, das sich hervorragend für die Lehre eignet: Studierende können an einem einzigen System live nachvollziehen, wie Molekülgeometrie das elektronische Verhalten steuert.
Warum das heute wieder zählt
Redox-schaltbare organische Materialien sind heute zentral für organische Batterien, elektrochrome Fenster und gedruckte Sensoren. Wer versteht, wie Molekülstruktur und Redoxverhalten zusammenhängen, kann gezielter Materialien für genau diese Anwendungen entwerfen – ein Thema, das im Zug der aktuellen Energiewende-Debatte an Fahrt gewonnen hat.
Konformation trifft Elektrochemie
Die Dicyanocyclophane liessen sich in unterschiedlichen Geometrien synthetisieren. Wir zeigten, dass die räumliche Anordnung der Molekülteile direkt beeinflusst, wie leicht sich Elektronen über das Molekül verteilen – ein Zusammenspiel aus Struktur, Optik und Elektrochemie in einem einzigen System.
Vom Molekül zur Methode
Kristallstrukturanalyse, UV/Vis-Spektroskopie und elektrochemische Messungen ergänzten sich zu einem vollständigen Bild: Synthese, Struktur und elektronisches Verhalten wurden erstmals gemeinsam für diese Molekülklasse dokumentiert.
Ausblick: geplantes Demonstrationsexperiment
Konkreter Plan: Drei Studierende synthetisieren je eine Biphenyl-Cyanid-Verbindung, ausgehend von der Bromo-Vorstufe – per Kreuzkupplung oder alternativ über eine Amin-Route zur Cyanogruppe. Die elektrochemische Charakterisierung erfolgt im EC-Lab, begleitend dazu DFT-Rechnungen im Quantenchemie-Lab. Aus den drei Verbindungen ergibt sich eine Drei-Punkte-Korrelation zwischen Molekülstruktur, gemessenem elektrochemischen Verhalten und berechneter Orbitalüberlappung – ein kompaktes, studentisch tragbares Projekt mit klarer didaktischer Aussage.
Eine naheliegende Erweiterung: die sp²-Konjugation nicht nur über den Torsionswinkel, sondern auch über die Kettenlänge zu zeigen – etwa an einer kurzen Oligomer- oder Polymerreihe mit schrittweise verlängertem konjugiertem System. Klassisches Lehrbuchprinzip (ähnlich dem Teilchen-im-Kasten-Versuch mit Cyaninfarbstoffen), hier aber mit demselben elektrochemisch-quantenchemischen Doppelblick kombiniert. Noch ein späteres Projekt.
Weitere Arbeiten von mir
Moleküle, die Licht manipulieren
Ein Molekül per Knopfdruck umschalten mit dem Ramanspektrometer
Aus Abwärme Strom gewinnen – Thermoelektrische Molekulare Kraftwerke
Ein Schulbuchbeispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit und Problemlösung
Molekularer Dimmer – Leitfähigkeit per Drehwinkel steuern
Publikationen Vonlanthen
In dieser Beitragsreihe werden die Publikation von David Vonlanthen vorgestellt.