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Neue Koordinationspolymere als Materialien mit sehr hoher Doppelbrechung

Forscher sehen doppelt

Legt man einen Kalkspat-Kristall auf eine beschriebene Seite, sieht man die Buchstaben doppelt. Grund ist eine als Doppelbrechung bezeichnete optische Eigenschaft. Wissenschaftler haben jetzt ein Material entwickelt, das sich als einer der am stärksten doppelbrechenden Feststoffe erwiesen hat.
Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschrieben, handelt es sich dabei nicht um ein Mineral, sondern um ein so genanntes metallorganisches Koordinationspolymer.

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Als Brechung bezeichnet man die Richtungsänderung einer Lichtwelle, etwa wenn sie aus Luft in Wasser oder in einen Kristall eintritt. Grund ist eine lokale Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Bei doppelbrechenden Kristallen wird das Licht dabei in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen zerlegt, die unterschiedliche Geschwindigkeiten haben und zueinander parallel verschoben wieder austreten. Ursache ist ein Kristallgitter, das entlang der verschiedenen räumlichen Achsen sehr unterschiedliche optische Eigenschaften zeigt – Anisotropie.

Maßgeschneiderte Materialeigenschaften

Doppelbrechende optische Bauteile bestehen üblicherweise aus Kalkspat. Entscheidende Größe ist der Brechungsindexunterschied für Licht, das sich in zwei unterschiedlichen Richtungen im Kristall ausbreitet. Dieser Wert liegt für Kalkspat bei 0,17.

Das Team um Daniel B. Leznoff und Zuo-Guang Ye von der Simon-Fraser-Universität in Kanada hat nun ein stark doppelbrechendes Koordinationspolymer hergestellt. Koordinationspolymere sind ein-, zwei- oder dreidimensional verbrückte Metallkomplexe. Vorteil dieser Verbindungsklasse ist eine schier unbegrenzte Designfreiheit: Die einzelnen Bausteine – Metallzentrum, Chelatliganden, Brückenligangen – können fast beliebig ausgewählt und kombiniert werden, um spezielle Materialeigenschaften maßzuschneidern.

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Bessere Datenspeicherung und -übertragung

Leznoffs Team, im Labor von Michael J. Katz angeführt, wählte einen „Terpy“ genannten Liganden, ein flaches Ringsystem aus drei Pyridineinheiten (aromatische Sechsinge mit einem Stickstoffatom) und Blei als Metallzentrum. Die Komplexe sind über lineare Brückenliganden aus einem zentralen Silber- oder Goldion und zwei Cyanid-Gruppen zu zweidimensionalen Schichten verbunden. Wird das zentrale Blei durch Mangan ersetzt, entstehen eindimensionale leiterartige Strukturen.

Im Kristall sind die Blei- und die Mangan-Polymere aber analog angeordnet: die Terpy-Moleküle liegen Fläche zu Fläche senkrecht der Achse des Kristallwachstums – offenbar das entscheidende Kriterium für die hohe Doppelbrechung, die Werte von 0,43 bzw. knapp unterhalb 0,4 erreicht und damit signifikant höher als bei der Mehrzahl anorganischer doppelbrechender Materialien ist.

Eine verbesserte optische Datenspeicherung und Datenübertragung in der Kommunikationstechnik sind mögliche Anwendungsgebiete für hoch doppelbrechende Materialien.

(idw – Gesellschaft Deutscher Chemiker, 15.11.2007 – DLO)

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