Die richtige Verpackung macht's!

Seien es optoelektronische Modulatoren in der Tele­kommunikation oder Frequenz­konverter für Laser­strahlung – nichtlineare optische Effekte finden breite Anwendung in Forschung und Technik. Besonders stark treten diese Effekte in speziellen organischen Molekülen auf. Um sie nutzbar zu machen, gilt es jedoch ein grundlegendes Problem zu lösen: Versucht man aus solchen Molekülen Proben herzustellen, ordnen sie sich antiparallel an und die Effekte löschen sich gegenseitig aus. Forschern der Universität von Antwerpen ist es nun gelungen, asymmetrische Farbstoff­moleküle in Nanoröhrchen zu linearen Ketten zu verpacken. So konnten sie eine nichtlineare optische Wirkung erzielen, die den bisher eingesetzten nicht­linearen Kristallen schon bald ernsthafte Konkurrenz machen könnte.

Auf molekularer Ebene lassen sich nichtlineare optische Effekte am besten mithilfe linearer Farbstoff­moleküle realisieren: Entlang ihrer konjugierten Ketten weisen sie eine hohe Polarisierbarkeit auf, während Gruppen unterschiedlicher Elektro­negativität an ihren Enden die nötige Asymmetrie erzeugen. Die intrinsische nichtlineare Wirkung eines solchen Moleküls ist stärker als die weithin verwendeter anorganischer Kristalle, wie etwa Lithium­niobat. Da sie aufgrund ihres großen Dipolmoments jedoch dazu neigen, sich antiparallel anzuordnen, ist es schwierig, die Effekte einzelner Moleküle konstruktiv zu kombinieren. „Das ist vergleichbar mit zwei Stabmagneten“, sagt Sofie Cambré, Haupt­autorin der Studie. „Wenn man sie zusammen bringt, werden sie seitlich aneinander haften. Allerdings wird ihre Ausrichtung entgegen­gesetzt sein, sodass sich ihre Felder auslöschen. In ein dünnes Röhrchen verpackt, einer hinter dem anderen, werden sie dagegen gemeinsam einen starken Magneten bilden.“

Um eine solche Anordnung zu erreichen, lösten die Forscher die Farbstoff­moleküle gemeinsam mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einem organischen Lösungsmittel. Da die gewünschte Ausrichtung in einer Dimension einen thermodynamischen Gleich­gewichts­zustand darstellt, füllten sich die Röhrchen von selbst mit je etwa siebzig Molekülen. Die kohärente Überlagerung der Effekte der einzelnen Moleküle führte so, verglichen mit einer Lösung ohne Nanoröhrchen, zu einem siebzig mal höheren Wert. Als optimal stellte sich dabei ein Durch­messer von von etwa 1,1 Nanometern heraus. Waren die Röhrchen dünner, wurden sie nicht oder nur teilweise gefüllt. Waren sie dicker, führte das ebenfalls zu einer geringeren Verstärkung, weil sich vermutlich antiparallele Doppel­reihen ausbildeten.

Cambré und ihren Kollegen zufolge bilden die gefüllten Nano­röhrchen praktische, chemisch inerte Baublöcke für zukünftige Anwendungen. Zu einen sind sie in Lösung einfach zu handhaben. Zum anderen versprechen ihre Größe und ihr starkes Dipolmoment die Möglichkeit einer effizienten und stabilen Anordnung in elektrischen Feldern. Aufgrund dieser Eigenschaften könnte es schon bald gelingen, nichtlineare, optische Materialien auf Basis organischer Moleküle herzustellen.

Thomas Brandstetter

DE