Supramolekulare Architektur ermöglicht lichtgespeiste Ladungstrennung

Im Gegensatz zu früheren, statistisch zusammengesetzten Systemen, deren unkontrollierte Ligandenverteilung die Analyse und Planbarkeit der Materialeigenschaften erschwerte, erlaubt die SCA-Methode die exklusive Bildung eines einzelnen Käfigisomers. Dadurch werden mögliche Elektronentransferrouten auf ein Minimum reduziert, was ein klareres Verständnis der Dynamik angeregter und ladungsgetrennter Zustände ermöglicht. Zudem wurde so der Grundstein für das gezielte Design von Käfig-Bibliotheken zur systematischen Optimierung von Thermodynamik und Kinetik der lichtgespeisten Ladungstrennung gelegt.

Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die Käfigbildung mittels NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie und Röntgenstrukturanalyse. Optische und elektrochemische Messungen zeigten, dass Donor- und Akzeptorbausteine im Grundzustand weitgehend voneinander unabhängiges Verhalten zeigen. Mit ultraschneller Femtosekunden-Pump-Probe-Spektroskopie konnte mit der Gruppe um Prof. Dirk Schwarzer, Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften Göttingen, gezeigt werden, dass nach Anregung durch Licht eine rasche Ladungstrennung zwischen den Liganden erfolgt – gefolgt von zwei separaten Rücktransferprozessen auf Zeitskalen von Hunderten Pikosekunden bis etwa einer Nanosekunde. Diese Prozesse hängen direkt von der räumlichen Anordnung der Donor- und Akzeptorliganden innerhalb der Käfige ab.

Die Ergebnisse belegen das Potenzial nicht-statistischer Selbstsortierung für die präzise Positionierung photoaktiver Komponenten auf molekularer Ebene. Damit eröffnet sich ein neuer Weg zum rationalen Design funktionaler Materialien für Anwendungen in der Photovoltaik, Sensorik und Photoredox-Katalyse.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK2376 („Confinement-controlled Chemistry“) und der Exzellenzstrategie im Cluster RESOLV, EXC2033 gefördert.