Entdeckungen in der Naturwissenschaft sind selten und in den meisten Fällen zufällig. So auch die Entdeckung, die jüngst Chemikern der Universität Rostock geglückt ist.
„Die Entdeckung des Schaltverhaltens war rein zufällig,“ bemerkt Professor Axel Schulz, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische und Elementorganische Chemie an der Universität Rostock, auf die Frage, wie es zu der Entdeckung gekommen sei. Er erläutert: „Die Verbindung bildet dunkelblaue Kristalle, die sich unter Einwirkung von Licht entfärben.“ Bereits schwaches Licht reiche aus, um die Struktur der Verbindung zu verändern, weshalb sich die Aufklärung der Molekülstruktur als schwierig erwiesen habe. Alle Arbeiten zur Bestimmung der Molekülstruktur mussten in völliger Dunkelheit erfolgen.
Der entdeckte molekulare Schalter steuere den Ablauf einer chemischen Reaktion, die durch Bestrahlung mit Licht in zwei verschiedene Richtungen gelenkt werden könne. „Das kann man sich vorstellen wie eine Ampel, die Autos in verschiedene Richtungen fahren lässt, nur dass sich das Ganze auf der molekularen Ebene abspielt“, sagt Dr. Jonas Bresien, Habilitand am Lehrstuhl. „Unseres Wissens ist ein solches Verhalten zuvor nicht beobachtet worden.“
So konnte die chemische Verbindung mithilfe der magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie untersucht werden. „Mit dieser Methode kann man sozusagen in das Innere von Molekülen schauen, ähnlich wie ein MRT (Magnetische Resonanz Tomografie) in das Innere von Lebewesen schauen kann,“ erklärt Dr. Bresien. „Durch Bestrahlen der Probe innerhalb des Spektrometers konnten die strukturellen Veränderungen beim Schalten direkt beobachtet werden,“ erläutert Professor Schulz.
Um das Schaltverhalten genauer zu verstehen, haben sich die Chemiker Unterstützung bei den Physikern geholt. In Zusammenarbeit mit Professor Stefan Lochbrunner vom Institut für Physik der Universität Rostock wurde bestimmt, wie viele Lichtteilchen, sogenannte Photonen, benötigt werden, um einen Schaltvorgang in einem einzelnen Molekül auszulösen. Wie sich herausstellte, ist das System vergleichsweise effizient. Etwa jedes vierte Photon führt zu einem erfolgreichen Schaltvorgang.
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Chemikern und Physikern, durchgeführt im Rahmen eines Projektes am Department „Leben, Licht und Materie“, war äußerst erfolgreich, zumal alle experimentellen Arbeiten auf dem Südstadtcampus der Universität Rostock zügig durchgeführt werden konnten.
„Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnten wir uns eine Reaktion überlegen, in der wir das Schaltverhalten ausnutzen, um eben diese chemische Reaktion zu manipulieren. Dies funktioniert sogar umkehrbar, sodass die verschiedenen Reaktionsprodukte immer wieder ineinander umgewandelt werden können,“ so Axel Schulz. Im Moment sei das reine Grundlagenforschung, könne aber in Zukunft für die Steuerung von katalytischen Prozessen, etwa bei der großtechnischen Herstellung von Kunststoffen oder Medikamenten, von Bedeutung sein.