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Aluminiumverbindung mit Rekord-Fluoreszenz

Organischer Aluminium-Komplex strahlt genauso viele Photonen ab wie eingetroffen sind

Fluoreszenz
Eine neue Aluminiumverbindung fluoresziert je nach Zustand blau oder grünlich, hier ist sie in einem Polymer verarbeitet. © Jürgen Scheere/ Universität Jena

Neuer Rekord: Chemiker haben quasi durch Zufall die bisher am stärksten fluoreszierende Aluminiumverbindung synthetisiert. Das Komplexmolekül aus vier organischen Ringmolekülen und zwei Aluminium-Ionen hat in Lösung eine Quantenausbeute von nahezu eins. Das Molekül strahlt demnach für jedes eintreffende Lichtteilchen ein Fluoreszenz-Photon ab. Davon könnten Fluoreszenz- Anwendungen, etwa in der LED-Technik, profitieren.

Fluoreszenz entsteht, wenn Atome durch Strahlung in einen energiereicheren, angeregten Zustand versetzt werden. Fallen sie dann wieder in den Grundzustand zurück, geben sie die überschüssige Energie als Photonen ab – sie leuchten. Die Intensität und Dauer dieser Fluoreszenz hängt von den Energiezuständen der Atome und der chemisch-physikalischen Struktur der Moleküle ab. Meist leuchten beispielsweise gut bewegliche Fluoreszenz-Farbstoffe besser als kristalline – auch wenn bereits erste Ausnahmen bekannt sind.

ALuminium-Komplex
Vereinfachte Struktur der fluoreszierenden Aluminiumverbindung. © Portwich et al./ Angewandte Chemie Int. Ed., CC-by-nc-nd 4.0

Fahndung nach fluoreszierenden Aluminiumverbindungen

Als besonders erstrebenswert gelten Fluoreszenz-Farbstoffe, deren Kernbestandteile aus häufigen, reichlich vorhandenen Elementen bestehen. Ein Kandidat dafür ist schon seit längerem Aluminium. Zum Fluoreszieren bringt man dieses Metall dabei meist, indem man es mit organischen Verbindungen zu Komplexmolekülen verknüpft. Bisher ist die Quantenausbeute dieser Aluminium-Fluorenzfarbstoffe jedoch begrenzt.

„Der bisherige Rekord für Aluminiumverbindungen liegt bei rund 70 Prozent“, erklärt Seniorautor Robert Kretschmer von der Universität Jena. „Das heißt, dass bei dieser Quantenausbeute bei zehn eingestrahlten Lichtteilchen von der Substanz sieben neue ausgesendet werden.“ Doch Kretschmer, Erstautor Flavio Portwich und ihr Team haben nun eine Aluminiumverbindung entdeckt, die dies deutlich übertrifft.

Grünes und blaues Leuchten

„Diese Entdeckung war ein reiner Glücksfund“, berichtet Kretschmer. „Eigentlich wollten wir mit der Substanz Katalyse betreiben. Aber meinem Team fiel sehr schnell auf, dass die Verbindung äußerst stark fluoresziert.“ Die Substanz besteht aus einem organischen Molekül mit vier Ringen, in die an zwei Stellen Aluminium-Ionen komplex gebunden sind. Die Chemiker synthetisierten dieses Molekül aus einer organischen Ringverbindung und Aluminium-Trimethyl. „Die Herstellung ist recht simpel und kann in größeren Mengen im Labor geschehen“, so der Chemiker.

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Um der unerwartet starken Fluoreszenz nachzugehen, unterzogen die Forschenden das Molekül eingehenderen spektroskopischen Untersuchungen. Es zeigte sich: In kristalliner und pulvriger Form leuchtet das Material grün. Wird es in dem organischen Lösungsmittel Toluol gelöst, gibt es ein intensiv blaues Leuchten mit einer scharfen Strahlungsspitze bei 471 Nanometer Wellenlänge ab, wie das Team berichtet.

Rekord bei der Quantenausbeute

Das Entscheidende jedoch: Für die gelöste Aluminiumverbindung liegt die Quantenausbeute bei eins, wie Messungen ergaben. Demnach gibt diese Substanz für jedes eingestrahlte Lichtteilchen ein Photon wieder ab. Das sei ein zuvor noch nie bei einer Aluminiumverbindung gemessener Wert, schreiben Portwich und seine Kollegen. Beim trockenen Pulver liegt die Quantenausbeute bei 0,5, in kristalliner Form bei immerhin bei 0,6.

Interessant auch: Die Wissenschaftler haben die neue Aluminiumverbindung bereits genutzt, um ein fluoreszierendes Gewebe herzustellen. Dabei wird die gelöste Substanz mit elastischen Polymerfasern verknüpft. Das Ergebnis ist ein intensiv gelbgrün leuchtendes Fleece-Material, dessen Quantenausbeute immerhin noch bei 0,9 liegt, wie das Team berichtet.

Als nächstes wollen Kretschmer und sein Team die Verbindung genauer erforschen und die rekordhafte Fluoreszenz besser verstehen. Ein weiteres Ziel sei es auch, die Verbindung stabiler zu machen, so dass sie beispielsweise auch in Wasser gelöst werden kann. Das wäre für biologische Anwendungen wichtig. „Wir haben auch schon Ideen, wie uns das gelingen kann“, sagt Kretschmer. (Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202117499)

Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena

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