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Chemie: Ein ausgeklügeltes Verfahren stapelt Farbstoff-Moleküle so aufeinander, dass ihre Leuchtkraft mit zunehmender Größe sprunghaft steigt – ein wichtiger Impuls für die Elektronik von morgen.
In der Natur ist eine gewisse Größe oft die Voraussetzung dafür, dass Biomoleküle ihre speziellen Funktionen ausüben können. Damit zum Beispiel Proteine oder die DNA ihre lebenswichtigen Aufgaben erfüllen können, müssen sie in einer präzisen Faltung vorliegen – und dafür ist eine bestimmte Mindestlänge erforderlich.
Den schrittweisen Aufbau von Proteinen und Nukleinsäuren mit definierter Länge und Komposition kann die Chemie im Labor mittels Festphasensynthese längst bewältigen.
Erstmals stellt nun ein deutsch-koreanisches Forschungsteam eine vergleichbare Synthesemethode für organische Farbstoff-Moleküle vor. Bis zu 14 Perylenbisimid-Einheiten lassen sich damit gezielt aufeinanderstapeln. Diese Farbstoffe wurden verwendet, weil sie für kommende Generationen von organischen Halbleitern und Nano-Lasern interessant sind. Sie fangen an zu leuchten, wenn man sie mit Lichtimpulsen energetisch anregt.
Die Entdeckung: Leuchtkraft nimmt sprunghaft zu
„Wir können mit unserer neuen Synthesemethode erreichen, dass die Farbstoff-Moleküle nicht irregulär gestapelt werden, sondern exakt gefaltet als sogenannte „Foldamere“ vorliegen – in genau definierter Reihenfolge und räumlicher Anordnung“, sagt Professor Frank Würthner, Leiter des Zentrums für Nanosystemchemie und des Lehrstuhls für Organische Chemie II der Universität Würzburg.
Das ist aber noch nicht alles. Beim schrittweisen Aufeinanderschichten der Farbstoff-Moleküle stießen die Forschenden auf einen entscheidenden Effekt: Durch Verlängerung der Stapel auf eine Höhe von vier bis sechs Einheiten nimmt ihre Leuchtkraft deutlich zu.
Warum das so ist? „Im Bereich von vier bis sechs gestapelten Molekülen stabilisiert sich die Struktur so weit, dass ein Multiexzitonen-Zustand im Zentrum dominiert, was zu einer deutlich erhöhten Fluoreszenzquantenausbeute führt“, so Doktorand Leander Ernst, der Erstautor der Studie. Durch die zunehmende strukturelle Steifigkeit im Zentrum des Stapels werde der angeregte Zustand vor äußeren Einflüssen abgeschirmt und die Lichtemission optimiert.
Die Daten der Forschenden belegen den Effekt eindrucksvoll: Während ein Stapel aus zwei Einheiten eine Leuchteffizienz von 47 % aufweist, klettert dieser Wert bei einer Kette aus 14 Einheiten auf bis zu 75 %.
Für künftige Anwendungen in der Technik bedeutet das: Bauteile mit gestapelten Farbstoffen könnten weniger Strom verbrauchen oder bei gleichem Energieeintrag deutlich heller leuchten.
Was die Studie für die Wissenschaft bedeutet
Bei der Entwicklung organischer Halbleitermaterialien nutzte die Wissenschaft bisher meist „Dimer-Modelle“ zur Vorhersage der Kopplung der Moleküle in Festkörpermaterialien, wie sie in materialwissenschaftlichen Anwendungen Einsatz finden. Nun dürfte klar sein, dass dieses Modell nicht ausreicht – es ist so, als würde man versuchen, die Statik eines Hauses zu verstehen, indem man zwei aufeinanderliegende Ziegelsteine untersucht.
Ein zentrales Problem bei der Nutzung von Farbstoff-basierten Materialien in Leuchtanwendungen war bislang das sogenannte Quenching: Normalerweise verlieren Farbstoffe an Leuchtkraft, wenn sie dicht an dicht gepackt werden – sie „löschen“ sich gegenseitig aus. Diese Begrenzung hat das Forschungsteam aus Würzburg und Seoul für die beschriebenen Perylenbisimid-Foldamere nun überwunden.
Dennoch bleibt der Transfer von der Grundlagenforschung in reale Alltagsgeräte noch eine Herausforderung. Diesem Thema will sich in Würzburg ein Forschungsverbund aus Chemie und Physik unter Leitung der Professoren Tobias Brixner (Chemie) und Bert Hecht (Physik) widmen.
Die Ergebnisse entstanden in Kooperation von Professor Frank Würthners Team mit der Gruppe von Professor Dongho Kim an der Yonsei-Universität in Seoul (Korea). Veröffentlicht sind sie im Journal Nature Chemistry.
Prof. Dr. Frank Würthner, frank.wuerthner@uni-wuerzburg.de
Generating extended foldamer dye stacks and unravelling their evolving exciton dynamics. Leander Ernst, Yongseok Hong, Hongwei Song, Wei Zhang, Elisabeth Lass, Dongho Kim & Frank Würthner. Nature Chemistry, 23 March 2026, DOI: 10.1038/s41557-026-02082-0
Links die Schritt-für-Schritt-Synthese strukturell genau definierter Farbstoffstapel. Rechts die beo ...
Source: Leander Ernst
Copyright: Universität Würzburg
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Students
Chemistry, Electrical engineering, Materials sciences
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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