Der kleinste Schalter der Welt

Published on October 27, 2016

Wie funktionieren sogenannte molekulare Lichtschalter? Ein molekularer Lichtschalter ist ein Molekül, das sich durch die gezielte Bestrahlung mit Licht in einen von zwei Zuständen versetzen lässt. Aber wie geht das bei einem winzigen Molekül? Das hat sich Niklas von Stefan Hecht von der Humbold Universität Berlin erklären lassen.

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Wie funktioniert ein molekularer Lichtschalter?

Ein solcher Lichtschalter ist nichts anderes als ein Molekül, das sich durch die gezielte Bestrahlung mit Licht in einen von zwei Zuständen versetzen lässt, so wie normale Lichtschalter bei uns zuhause – entweder der Schalter ist an oder aus.

Dementsprechend braucht man für einen molekularen Lichtschalter ein Molekül, das in zwei Formen existieren kann, Chemiker sagen dazu Isomere. Aber um das Ganze nicht komplizierter zu machen, als es ist, nehmen wir hier zur Erklärung diese beiden kleinen Männchen.

Eines der beiden Männchen, das rechte, hat etwas mehr Energie als das andere und kann deshalb nicht nur einen sondern beide Arme hochhalten. Denn es geht hier um verschiedene Energiezustände – das wird später noch wichtig werden. Der Berg in der Mitte trennt beide Energiezustände von einander. Bei Normaltemperatur hat der kleine Kerl auf der linken Seite nicht genug Energie, um den Berg hinaufzuklettern. Und da kommt das Licht ins Spiel.

Wir können ihn mit Licht bestrahlen, zum Beispiel blauem Licht, und er wird wie mit einem Aufzug auf eine höhere Ebene transportiert. Das ist der sogenannte angeregte Zustand und Moleküle können ihn nur erreichen, wenn sie ein Photon absorbieren, die kleinste Einheit an Lichtenergie. Da Moleküle ebenso wie Menschen üblicherweise gerne ausruhen, möchte der Kerl gerne seine überschüssige Energie loswerden.

Also verlässt er seinen angeregten Zustand und fällt zunächst in ein Tal, das direkt auf den Berg führt, der die zwei Täler im Grundzustand teilt. An diesem Punkt, dem Durchlass des sogenannten photochemischen Trichters, fällt er hindurch auf die rechte Seite.

Die Lichtenergie hat ihn aber verändert – jetzt kann er auch den anderen Arm heben. Nun kann das Kerlchen auf der rechten Seite aber ebenfalls nicht den Berg hinaufklettern, vor allem nicht bei normalen Temperaturen.

Da er jedoch weniger stabil ist, immerhin hat er jetzt mehr Energie als zuvor, reicht jetzt Licht mit weniger Energie, zum Beispiel grünes Licht, um ihn wieder in den angeregten Zustand zu versetzen und ihn dann durch den Trichter auf die linke Seite fallen zu lassen.

Wir haben also zwei verschiedene Kerlchen – oder sagen wir jetzt besser wieder Moleküle – die ineinander umgewandelt werden können, indem man sie mit Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Energie bestrahlt. So können wir jedes der beiden verschiedenen Isomere gezielt ansprechen und in das andere umwandeln. Wir haben also einen molekularen Schalter.

Das Geniale dabei ist: beide Schaltstufen haben unterschiedliche Eigenschaften, die wir nutzen können. Noch einmal zurück zur Analogie. Während der Kerl auf der Linken seine Hände weit von einander entfernt hält, hat der auf der Rechten sie beisammen und kann damit etwas tun.

In anderen Worten: Der linke Kerl ruht sich gerade aus und tut nichts. Der rechte Kerl ist aktiv und kann verschiedene Dinge tun – zum Beispiel Klavierspielen. Wenn wir das richtige Licht benutzen, können wir zwischen den beiden Männchen hin- und herschalten und so die Musik an oder aus machen.

Das ist – in aller Kürze – das Konzept eines ferngesteuerten molekularen Schalters mit Hilfe von Licht.

Mehr dazu (und auch etwas wissenschaftlicher) gibt es hier als pdf.

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