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21.09.2021

21.06.2018

Organische Kristalle: thermisch verdrehbar und selbstreparierend

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Kristalle sind brüchig und hart? Seit der Entdeckung von intelligenten weichen und gleichzeitig kristallinen organischen Materialien muss diese Erkenntnis modifiziert werden. Wissenschaftler haben jetzt einen weichen molekularen Kokristall hergestellt, der sich bei Temperaturerhöhung, mechanisch oder unter UV-Licht reversibel und unbeschadet biegen und verdrehen kann. Er empfiehlt sich als robustes Material für die molekulare Elektronik und andere High-Tech-Anwendungen, berichten die Autoren in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Dass Kristalle auch elastisch sein können, weiß man erst seit etwa zehn Jahren, als überraschenderweise die ersten dynamischen und anpassungsfähigen molekularen Kristalle beschrieben wurden. Schadlos biegbare Kristalle sind für Anwendungen in der Mikrorobotik, flexiblen Elektronik und Optik höchst interessant. Ein Wissenschaftlerteam um Naba Kamal Nath am National Insititute of Technology in Meghalaya (Indien) und Pance Naumov an der New York University in Abu Dhabi (Vereinigte Arabische Emirate) hat jetzt die Möglichkeiten von Einkristallen noch erweitert: der von ihnen entwickelte weiche Kristall verdreht und begradigt sich wieder beim Erwärmen und Abkühlen, verbiegt sich reversibel unter UV-Licht und lässt sich mechanisch zu einer Schleife formen. Kleine Brüche im Kristall heilen sogar von alleine, berichten die Wissenschaftler.

Molekulare organische Kristalle enthalten häufig Anordnungen von gestapelten Molekülschichten. Diese Stapel werden durch Kräfte wie Wasserstoffbrücken, hydrophobe zwischenmolekulare Anziehungskräfte oder die Wechselwirkung zwischen den aromatischen Ringen der Moleküle zusammengehalten. Die Kristalle, die Naumov und Nath hergestellt haben, setzen sich aus zwei verschiedenen organischen Molekültypen zusammen, nämlich der pharmazeutisch wirkenden Substanz Probenecid, einem Medikament zur vermehrten Ausscheidung von Harnsäure, und 4,4'-Azopyridin. Letztere Verbindung gehört zu den aromatischen Azokomponenten und kann unter UV-Licht von einer gestreckten in eine geknickte Konformation übergehen. Zusammen im Kristall stapeln sich beide Moleküle in zickzackförmigen Schichten, was makroskopisch ein einkristallines faserartigen Blatt ergab.

Wärmten die Forscher die Faser auf etwa 60 °C auf, so änderten sich verschiedene Winkel zwischen den Molekülen und damit die Packung. Das lang gestreckte, dünne faserförmige Kristallblatt verdrehte sich. Allerdings nicht dauerhaft. Durch Kühlung kam die ursprüngliche Ordnung wieder zurück, und das Kristallblatt begradigte sich wieder. Auch eine mechanische Biegung zu einer Schleife war bruchlos möglich. Und unter UV Licht erfolgte ebenfalls eine rasche Beugung.

Damit besitzt das Material drei Funktionalitäten: Es ist durch Wärme verdrehbar, elastisch verbiegbar und lässt sich durch Licht reversibel verformen. Und nicht nur das, der Kristall konnte sich sogar selbst reparieren: Offenbar verschwanden kleine Spalten und Brüche, wenn die Wissenschaftler die Temperatur mehrmals erhöhten und wieder absenkten.

Diese bemerkenswerte Multifunktionalität empfiehlt das Material für moderne Festkörperhalbleiter, für die flexible organische Elektronik und für solche Technologien, bei denen es auf die Verbindung von scheinbar gegensätzlichen Materialeigenschaften ankommt.

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Quelle: Angewandte Chemie