Prof. Dr. Birgit Weber von der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena wird ein neues Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) koordinieren. Wie die DFG heute mitteilte, ist die F?rderung des Programm 2491 ?Interaktives Schalten von Spinzust?nden“ bewilligt worden. Deutschlandweit k?nnen bis zu 30 Arbeitsgruppen im Rahmen des Programms gef?rdert werden. Zus?tzlich unterstützt werden regelm??ige Treffen zwischen den Forschenden vor Ort in Jena, Weiterbildungen für den wissenschaftlichen Nachwuchs und die Durchführung von internationalen Fachtagungen.

Ziel des Programms ist es, molekulare Bauteile zu erforschen und zu entwickeln, deren Eigenschaften durch chemische oder physikalische Ausl?ser steuerbar sind. Solche Moleküle werden für verschiedenste Anwendungen in der Sensorik und Datenverarbeitung ben?tigt; von der Erkennung von Tumoren über die Speicherung gro?er Datenmengen bis hin zur Steuerung von Quantencomputern.

H?moglobin macht’s vor

?Ein Beispiel für schaltbare Moleküle ist der rote Blutfarbstoff H?moglobin“, erkl?rt Prof. Weber. ?Das Eisen im H?moglobin kann verschiedene Spinzust?nde einnehmen, was mit verschiedenen chemischen Eigenschaften verbunden ist – konkret mit dem Verm?gen, Sauerstoff zu binden oder eben wieder abzugeben.“

Die Spinzust?nde von Metallkomplexen, zu denen auch H?moglobin z?hlt, ergeben sich aus der Quantenmechanik. Das Eisen im H?moglobin hat in seiner ?u?ersten Elektronenhülle sechs Elektronen. ?Es gibt insgesamt fünf Pl?tze, in die maximal zehn Elektronen passen“, erkl?rt Weber weiter. ?Danach ist diese sogenannte Schale besetzt und weitere Elektronen würden in eine neue Schale kommen.“ Im Fall des H?moglobin-Eisens gibt es nun zwei M?glichkeiten, wie diese sechs Elektronen die insgesamt fünf Pl?tze besetzen k?nnen: Vier Elektronen nehmen jeweils einen Platz ein, w?hrend sich den fünften Platz zwei Elektronen teilen. ?Man sagt dann, diese beiden Elektronen sind gepaart, w?hrend die anderen vier Elektronen ungepaart sind“, veranschaulicht die Chemikerin. ?Dieses Szenario wird als High-Spin-Zustand bezeichnet.“ Die zweite M?glichkeit, so Weber weiter, w?re, dass alle sechs Elektronen gepaart sind und so nur drei der fünf verfügbaren Pl?tze besetzen. ?Das w?re ein Low-Spin-Zustand“, sagt Weber. Beide Zust?nde sind mit unterschiedlichen magnetischen und spektroskopischen Eigenschaften verbunden und damit messbar.

Chemisches Messen und Steuern

?Welches Szenario nun eintritt, das h?ngt beispielsweise von der chemischen Umgebung ab. In einem sauren Medium ist das anders als im alkalischen“, führt sie aus. ?Auch die Temperatur kann eine Rolle spielen.“ Auf diese Weise lassen sich also Informationen über die Umgebung anhand solcher Moleküle auslesen. ?Auch der umgekehrte Fall ist m?glich“, erl?utert die Wissenschaftlerin: ?Indem z. B. durch Lichtenergie zwischen High-Spin- und Low-Spin-Zustand gewechselt wird, k?nnen auch die Eigenschaften des Moleküls beeinflusst werden.“ Auf diese Weise k?nnen die Substanzen beispielsweise lumineszent werden.

Im neuen Schwerpunktprogramm sollen diese Prozesse nun für einzelne Moleküle erforscht werden. ?Es braucht dieses tiefe Verst?ndnis, um die Eigenschaften dieser Schalter vorherzusagen und entsprechende Systeme zu designen“, erl?utert Weber. ?Auch fehlt es noch an ausreichendem Wissen, welchen Einfluss Tr?germaterialien haben, in die solche schaltbaren Systeme eingebettet sind.“ Zu diesem Zweck sollen die schaltbaren Spin-Systeme u. a. mithilfe von ultraschnellen Messmethoden bis in den Femto-Sekunden-Bereich untersucht werden.

Das neue Schwerpunktprogramm bringt unterschiedliche Expertisen aus ganz Deutschland zusammen. ?Ich freue mich auf die Zusammenarbeit mit den vielen verschiedene Teams und bedanke mich noch einmal herzlich bei den beiden Physikern Prof. Dr. Christian Bressler von der Universit?t Hamburg und Jun.-Prof. Dr. Manuel Gruber von der Universit?t Duisburg-Essen sowie der Gruppe aus der theoretischen Chemie von Prof. Dr. Vera Krewald von der TU Darmstadt und Prof. Dr. Mario Ruben vom KIT Karlsruhe, die bei der Antragstellung geholfen haben“, sagt Weber. ?Ich bin sicher, dass wir zusammen einige spannende Entdeckungen machen werden.“