Robert Klatt
Eine neue Aluminiumverbindung erreicht im gelösten Zustand eine Quantenausbeute von eins. Zuvor wurde eine solch hohe Fluoreszenz bei Aluminium-Fluorenzfarbstoffen nicht annähernd erreicht.
Jena (Deutschland). Wenn Atome durch Strahlung in einen energiereicheren Zustand versetzt werden, entsteht Fluoreszenz. Gehen sie danach zurück in den Grundzustand, wird die überschüssige Energie in Form von Photonen abgegeben und es entsteht ein Leuchten. Wie hoch die Intensität dieser Fluoreszenz ist und wie lange das Leuchten andauert, hängt von der chemisch-physikalischen Struktur der Moleküle und von den Energiezuständen der Atome ab. In der Regel leuchten etwa kristalline Moleküle deutlich schlechter als gut bewegliche Fluoreszenz-Farbstoffe. Die Physik hat jedoch schon Ausnahmen entdeckt.
Die Wissenschaft sucht besonders Fluoreszenz-Farbstoffe, die hauptsächlich aus häufig vorkommenden Elementen bestehen. Ein Kandidat ist Aluminium, das zum Fluoreszieren gebracht werden kann, wenn das Metall mit organischen Verbindungen zu Komplexmolekülen verknüpft wird. Die dabei erreichte Quantenausbeute der Aluminium-Fluorenzfarbstoffen war bisher jedoch noch zu gering.
„Der bisherige Rekord für Aluminiumverbindungen liegt bei rund 70 Prozent. Das heißt, dass bei dieser Quantenausbeute bei zehn eingestrahlten Lichtteilchen von der Substanz sieben neue ausgesendet werden“, erklärt Robert Kretschmer von der Universität Jena. Nun haben Wissenschaftler der Universität laut ihrer Publikation im Fachmagazin Angewandte Chemie International Edition jedoch eine Aluminiumverbindung entdeckt, die den bisherigen Rekord deutlich übertrifft.
„Diese Entdeckung war ein reiner Glücksfund. Eigentlich wollten wir mit der Substanz Katalyse betreiben. Aber meinem Team fiel sehr schnell auf, dass die Verbindung äußerst stark fluoresziert“, so Kretschmer.
Zusammengesetzt ist die Aluminiumverbindung aus einem organischen Molekül mit vier Ringen, die mit Aluminium-Ionen komplex an zwei Stellen gebunden sind. Synthetisiert haben die Chemiker dieses Molekül aus Aluminium-Trimethyl und einer organischen Ringverbindung. „Die Herstellung ist recht simpel und kann in größeren Mengen im Labor geschehen“, so die Autoren.
Um die unerwartete Fluoreszenz zu untersuchen, führten die Wissenschaftler spektroskopische Untersuchungen des Moleküls durch. Dabei konnten sie entdecken, dass das Molekül in kristalliner und pulvriger Form grün leuchtet. Eine Lösung des Moleküls im organischen Mittel Toluol führt hingegen zu einem intensiv blauen Leuchten.
Die Messungen zeigten überdies, dass die Quantenausbeute der gelösten Aluminiumverbindung bei eins liegt. Die Substanz gibt demnach für jedes eingestrahlte Lichtteilchen ein Photon ab. Ein solcher hoher Wert wurde zuvor bei einer Aluminiumverbindung noch nicht gemessen. Die Quantenausbeute beim trockenen Pulver liegt bei 0,5. Im kristallinen Zustand wird eine Quantenausbeute von 0,6 erreicht.
Um die Nutzungsmöglichkeiten der Aluminiumverbindung zu demonstrieren, haben die Wissenschaftler ein fluoreszierendes Gewebe produziert. Die gelöste Substanz wurde dazu mit elastischen Polymerfasern verbunden. Es entsteht so ein Fleece-Material mit einer Quantenausbeute von 0,9, das intensiv gelbgrün leuchtet.
Nun wollen die Forscher die rekordhafte Fluoreszenz weiter untersuchen. Dabei haben sie das Ziel, die Verbindung stabiler zu machen, damit diese etwa in Wasser gelöst werden kann. „Wir haben auch schon Ideen, wie uns das gelingen kann“, so Kretschmer.
Angewandte Chemie International Edition, doi: 10.1002/anie.202117499
