Die in Polystyrol eingebettete Aluminium-Verbindung fluoresziert besonders intensiv bei Bestrahlung mit blauem Licht. Quelle: Jürgen Scheere (Universität Jena)

Flavio Portwich (links) und Prof. Dr. Robert Kretschmer zeigen das fluoreszierende Polymervlies mit dem Aluminium-Farbstoff. Quelle: Jürgen Scheere (Universität Jena)

Ein stark fluoreszierender Farbstoff dank Aluminium

Publiziert

Aluminium ist ein in der Natur häufig vorkommendes und damit günstiges Metall, welches in einem kürzlich entwickelten Farbstoff zum Einsatz kommt. Fluoreszenzquantenausbeuten von etwa 100% machen den einfach synthetisierbaren Aluminiumfarbstoff für photophysikalische Anwendungen interessant. Doch ursprünglich war ein leuchtender Farbstoff gar nicht das Ziel der Forscher. Eigentlich sollte etwas ganz anderes erreicht werden.

Vom Katalysator zum Farbstoff
Was haben Teebeutel, Penicillin, der Mikrowellenherd und ein neuartiger Aluminium-Farbstoff gemeinsam? Sie alle waren Zufallsentdeckungen. Denn das eigentliche Ziel der Bachelorarbeit von Flavio Portwich, die von Prof. Dr. Robert Kretschmer betreut wurde, das Verhalten von β-oxo-δ-diimin-Liganden (kurz BODDI) in Gegenwart unterschiedlicher Metalle zu untersuchen und neue Katalysatoren zu entwickeln. Dabei lassen sich BODDI-Liganden mit geringem Aufwand synthetisieren und die besondere molekulare Struktur erlaubt die Komplexierung von einem oder zwei Metallen. Besonders interessant ist es, in beiden Taschen unterschiedliche Metalle zu «installieren» und deren Wechselwirkung zu untersuchen.

Durch sogenannte synergetische bzw. kooperative Effekte kann es nämlich dazu kommen, dass sich die beiden Metalle gegenseitig – im Vergleich zu den Einzelsystemen – verstärken (Überadditivität); oder dass sich völlig neue Eigenschaften finden lassen, die nicht auf die einzelnen Bestandteile zurückgeführt werden können. Deshalb untersuchte Flavio Portwich die Reaktion der BODDI-Liganden mit einer Reihe von Metallverbindungen, um die entsprechenden mono- oder dinuklearen Komplexe zu erhalten. Deren katalytische Aktivität sollte anschliessend in der ringöffnenden Polymerisation (ROP) von Lactid, die zum Alltagspolymer Polylactid (PLA) führt, genauer untersucht werden. Neben vielen weiteren Hauptgruppenmetallen stand auch das prominente Element Aluminium auf dem Versuchsplan, welches das in der Erdkruste am häufigsten vertretene Metall darstellt.

Die Überraschung war gross, als nach der ersten Reaktion eine intensiv grüngelbliche leuchtende Farbe beobachtet wurde. Auch andere BODDI-Komplexe leuchteten schwach, jedoch stach in einem Strauss an diversen Proben immer der Aluminiumkomplex vom Weiten heraus, denn die Probe fluoreszierte bereits bei Tageslicht im Labor mit grosser Intensität.

Kein Polylactid – dafür leuchtend gelb
In den nachfolgenden Katalysestudien ergab sich dann die nächste Überraschung: Während alle anderen Metall-Verbindungen die Polymerisation zu Polylactid initiierten, katalysierte der  Aluminium-Komplex diese Reaktion nicht. Da aber auch einige andere Metall-BODDI-Komplexe unter ultraviolettem Licht fluoreszierten, wurden nun ausserplanmässig die Fluoreszenzeigenschaften, insbesondere die Fluoreszenzquotenausbeuten, genauer untersucht. Vereinfacht gesagt, beschreibt die Quantenausbeute, wie viele der eingestrahlten Photonen auch wieder durch die Fluoreszenz (oder Phosphoreszenz) ausgesendet werden und gilt somit als Mass für die Intensität eines Fluoreszenzfarbstoffes. Flavio Portwich fand, dass die meisten
Verbindungen allerdings nur eine geringe zweistellige Quantenausbeute aufwiesen.

Doch die Aluminiumverbindung überraschte: Eine Quantenausbeute von fast 100 Prozent – kann das sein? Zuerst waren die Forscher unsicher, ob die Messung richtig ablief. Doch nach mehreren unabhängigen Messungen und unter Einsatz unterschiedlicher Methoden war klar: Eine Quantenausbeute von 100 Prozent in Toluol (1 ± 0,1) konnte bestätigt und verifiziert werden. Der bisherige Rekord für fluoreszierende Aluminiumfarbstoffe liegt bei rund 70%, es werden also von hundert eingestrahlten Photonen etwa 70 Photonen als Fluoreszenz wieder ausgesendet. In der Aluminium-BODDI-Lösung sind es fast alle Photonen, die auch wieder als Fluoreszenz emittiert werden. Dies ist nicht nur deutlich effizienter, sondern auch die Erklärung für die intensive Farbe.

Aluminiumfarbstoffe auch in LEDs
Fluoreszierende Metallverbindungen haben in der Wissenschaft und Industrie einen hohen Stellenwert: So kommen entsprechende Verbindungen bspw. in (organischen) LEDs, in der biologischen Bildgebung oder in der Chemosensorik zum Einsatz. In diesem Kontext gilt die bewährte Regel: Überall, wo Energie übertragen wird, geht es letztendlich um die Effizienz der Übertragung. Im Fall von Fluoreszenz geht es also um die oben erwähnte Quantenausbeute. Dies ist eine Kategorie, die der Aluminium-BODDI-Komplex zu 100 Prozent erfüllt – besser geht es nicht.

Farbstofflösungen sind jedoch oft schwierig handhabbar. Daher wurde in einem Kooperationsprojekt mit der Industrieforschungseinrichtung Innovent e.V. nach Alternativen gesucht, den Aluminium-Komplex sicher vor Umwelteinflüssen einzubetten. Der Farbstoff konnte letztlich erfolgreich in ein Polystyrol-Gewebe eingebettet werden. Die Quantenausbeute beträgt hier immer noch beachtliche 90 Prozent und das Vlies ist an Luft über mehrere Wochen hinweg lagerbar. Somit ist der Farbstoff in der Praxis einfach handhabbar und zusätzlich leichter zu  verarbeiten. Auch andere Möglichkeiten der Einbettung sind möglich.

Ausblick
Der untersuchte Farbstoff basiert auf günstigem und leichtverfügbarem Aluminium und die Synthese des Metallkomplexes ist trivial – es lassen sich auch im Labor einfach grössere Mengen davon herstellen. Bisher zersetzt sich der Komplex mit der Zeit in Wasser, was für biologische Anwendungen nachteilig wäre. Daher laufen aktuell weitere Untersuchungen zur Stabilität und wie man den Komplex z. B. gegen Wasser stabiler machen kann.

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Bezugsquellenverzeichnis