Färgglada organiska material har fascinerat forskare redan i mer än 200 år. Färgen på ett organiskt material uppstår vanligtvis från ljus-materia-interaktioner som involverar elektroniska övergångar såsom laddningsöverföring (CT) inom eller mellan organiska molekyler. Modern forskning har visat att förutom att vara färgämnen, organiska CT-material kan användas för många fler applikationer som solceller eller belysningsanordningar. För att stödja denna utveckling och för att studera bildandet och tillämpningarna av potentiella supramolekylära laddningssystem, Andreas Rösch utforskade flera tillvägagångssätt för att utveckla framtida modellsystem.

Mänskligheten har använt färg i mer än 40 000 år för att förmedla budskap och för att bevara kulturarvet. Medan de färgämnen som ursprungligen användes var naturliga produkter, tekniska framsteg gav tillgång till syntetiska färgämnen som azofärgämnen som revolutionerade användningen av färger i vardagen.

Medan forskning om system för intermolekylär laddningsöverföring (CT) har producerat en uppsjö av funktionella färgämnen för olika (opto-) elektroniska tillämpningar, bildandet av CT-komplex mellan individuella molekyler har använts för framställning av många supramolekylära system i lösningen eller bulkfasen.

Lätt-materia interaktion

I dag, färgen på en färgämnesmolekyl kan karakteriseras med analytiska tekniker såsom ultraviolett-synlig (UV/Vis) spektroskopi. I kombination med bestämning av den kemiska strukturen och kvantkemisk teori, struktur-egenskapsförhållanden för organiska färgämnen har undersökts kvantitativt.

En viktig interaktion mellan ljus och materia som ofta har använts för att skapa färger som är synliga för ögat är absorptionen av ljus i det synliga regimen. Denna egenskap finns ofta i material som uppvisar laddningsöverföring mellan elektronrika donator (D) och elektronfattiga acceptor (A) delar.

Beroende på den kemiska strukturen hos de inblandade föreningarna, CT kan förekomma antingen intramolekylärt (IKT), dvs inom en enda molekyl, eller intermolekylärt, dvs mellan två individuella molekyler. Framträdande exempel på föreningar som uppvisar IKT är push-pull-färgämnen. På grund av deras syntetiska tillgänglighet, avstämbara fotofysiska egenskaper och deras höga extinktionskoefficienter, en mängd sådana organiska färgämnen har redan använts kommersiellt i mer än ett sekel.

Supramolekylära system

I dag, en uppsjö av funktionella färgämnen är tillgängliga för att realisera en mängd olika (opto-)elektroniska applikationer såsom sensorer, belysnings- och fotovoltaiska apparater. I motsats till IKT, intermolekylär CT uppstår när en nära addukt av D- och A-delar av två olika molekyler bildas.

Denna addukt kallas då CT-komplex. Ett särskilt känt exempel på ett CT-komplex bildas när man blandar jod till en vattenlösning av stärkelse och märks av utvecklingen av en intensiv blå färg. Även om denna färgbildning redan har rapporterats för första gången för mer än 200 år sedan, den strukturella intrasslingen av respektive CT-komplex avslöjades först mycket senare.

När de strukturella kraven för att bilda CT-komplex förstods bättre, CT-komplex kan användas för att designa supramolekylära system, att bilda funktionella strukturer med storlekar bortom en enda molekyl.

Framtidens elektroniska apparater

I den presenterade avhandlingen, Andreas Rösch syftar till att ytterligare utöka omfattningen av att förbereda och tillämpa organiska laddningsöverföringssystem inom området supramolekylär kemi. I den första delen av denna avhandling, han framställde nya organiska färgämnen där elektronrika och elektronfattiga delar är kovalent sammankopplade. Han visar att en blandning av föreningarna bildar ett halvledande material som inte bara överför elektroner utan också förspänner elektronspinnet.

Eftersom genereringen av en sådan spin-polariserad ström är av potentiellt intresse för tillämpning i asymmetrisk katalys, han implementerade de vunna struktur-egenskapsrelationerna i utformningen av metallfritt material känt för användning i elektrokatalys.

I den andra delen av avhandlingen, han dekorerade ytor med högt ordnade uppsättningar av elektronrika och elektronfattiga motiv. En av de genererade arkitekturerna innehåller staplar av elektronrika och elektronfattiga molekyler, i vilken närheten av D- och A-enheter antyder framgångsrik bildning av CT-komplex på ytan. Han visade för första gången att en sådan arkitektur kan formas i ett stegvis, icke-kovalent tillvägagångssätt. Detta fynd har viktiga konsekvenser för att designa framtidens elektroniska enheter med dimensioner på nanoskala.