Organische Stromleiter für elektronische Bauteile

| Redakteur: Michael Eckstein

Leitet und leuchtet: Strukturformel der Flüssigkristalle vor einer Aufnahme der Flüssigkristallphase. Je nach Lösemittel flouresziert das Material in unterschiedlichen Farben.
Leitet und leuchtet: Strukturformel der Flüssigkristalle vor einer Aufnahme der Flüssigkristallphase. Je nach Lösemittel flouresziert das Material in unterschiedlichen Farben. (Bild: JGU Mainz / Natalie Tober)

Mainzer Forscher synthetisieren neuartige Flüssigkristalle für gerichteten Stromtransport. Ihre Besonderheit: Sie leiten Elektronen und keine positiven Ladungen wie bisherige Leiter. In elektronischen Bauteilen könnten sie als organischer Leiter für elektrischen Strom dienen.

Flüssig, fest oder gasförmig – andere Aggregatzustände sind in unserer normalen Umgebung selten. Doch gibt es sie – beispielsweise in Form von Flüssigkristallen. Während die Moleküle in Flüssigkeiten ungeordnet umherschwimmen, sind sie in Kristallen in regelmäßigen Kristallgittern angeordnet. Die Flüssigkristalle bilden einen Zwischenzustand zwischen den beiden Normbereichen fest und flüssig.

Das Material fließt, gleichzeitig sind die Moleküle jedoch in kleinen, geordneten Einheiten gruppiert. Diese Eigenschaften machen sich Flüssigkristallbildschirme (Liquid Crystal Display, LCD) zunutze, die heute in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen – etwa in Autos, Industriemaschinen, medizinischen Geräten oder auch in Consumer-Produkten wie Smartphones, Notebooks und Tablets.

Forscher des Instituts für Organische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt nun neuartige Flüssigkristalle synthetisiert. „Kühlt man unsere flüssigkristallinen Materialien langsam ab, so ordnen sich die Moleküle über Self-Assembly-Prozesse – also von ganz allein – in Form von Stapeln an“, erläutert Prof. Dr. Heiner Detert von der JGU. „Man kann sich das ähnlich vorstellen wie bei aufeinander gestapelten Bierdeckeln. Das Besondere daran: Diese Stapel leiten elektrischen Strom und zwar entlang der Stapel.“

Stromleiter leitet Elektronen und heilt sich selber

Aus dieser Eigenschaft ergibt sich eine mögliche Anwendung in der Elektronik: Die Materialien können als organische, flüssigkristalline „Stromkabel“ dienen und so für einen gerichteten Stromtransport in elektronischen Bauteilen sorgen. Noch eine Besonderheit haben die Forscher festgestellt: Während die meisten Materialien positive Ladungen, so genannte „Löcher“, leiten, handelt es sich bei den neuen Molekülen um Elektronenleiter. Hinzu kommt eine ganz besondere Eigenschaft der flüssigkristallinen Stromleiter: Sie besitzen Selbstheilungskräfte. „Beschädigungen, etwa ein Riss im Material, heilt von allein vollständig wieder aus“, sagt Detert.

Damit nicht genug. Die synthetisierten Molekülen überraschten die Forscher mit einem weiteren interessanten Effekt: Angeregt mit UV-Licht, beginnt ein einzelnes Molekül zu leuchten. Steigt die Konzentration der Moleküle an, verliert sich dieser Effekt. Allerdings nur, um bei noch höherer Konzentration wieder aufzutreten. Befinden sich die Moleküle in verschiedenen Lösungsmitteln oder sind sie in einem Film angeordnet, so leuchten sie in unterschiedlichen Farben, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Ob und wie sich dieser Effekt in industriellen Produkten nutzen lässt, ist bislang nicht klar.

Ihre Ergebnisse haben Detert und sein Team gemeinsam mit Prof. Dr. Matthias Lehmann von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg kürzlich in der Fachzeitschrift „Chemistry – A European Journal“ veröffentlicht. Die Forschungsergebnisse wurden von den Gutachtern als äußerst signifikant eingestuft und als „Hot Paper“ herausgehoben. Die Erstautorin Natalie Tober wird über ein Stipendium der Carl-Zeiss-Stiftung finanziert.

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