Doppelbrechende Polymere

Ein metallorganisches Koordinationspolymer erweist sich als Material mit sehr hoher Doppelbrechung.

Legt man einen Kalkspat-Kristall auf eine beschriebene Seite, sieht man die Buchstaben doppelt. Grund ist eine als Doppelbrechung bezeichnete optische Eigenschaft. Wissenschaftler von der Simon-Fraser-Universität in Kanada haben jetzt ein Material entwickelt, das sich als einer der am stärksten doppelbrechenden Feststoffe erwies. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschrieben, handelt es sich dabei nicht um ein Mineral, sondern um ein metallorganisches Koordinationspolymer.

Als Brechung bezeichnet man die Richtungsänderung einer Lichtwelle, etwa wenn sie aus Luft in Wasser oder in einen Kristall eintritt. Grund ist eine lokale Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Bei doppelbrechenden Kristallen wird das Licht dabei in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen zerlegt, die unterschiedliche Geschwindigkeiten haben und zueinander parallelverschoben wieder austreten. Ursache ist ein Kristallgitter, das entlang der verschiedenen räumlichen Achsen sehr unterschiedliche optische Eigenschaften zeigt (Anisotropie).

Doppelbrechende optische Bauteile bestehen üblicherweise aus Kalkspat. Entscheidende Größe ist der Brechungsindexunterschied für Licht, das sich in zwei unterschiedlichen Richtungen im Kristall ausbreitet. Dieser Wert liegt für Kalkspat bei 0,17.

Das Team um Daniel B. Leznoff und Zuo-Guang Ye hat nun ein stark doppelbrechendes Koordinationspolymer hergestellt. Koordinationspolymere sind ein-, zwei- oder dreidimensional verbrückte Metallkomplexe. Vorteil dieser Verbindungsklasse ist eine schier unbegrenzte Designfreiheit: Die einzelnen Bausteine – Metallzentrum, Chelatliganden, Brückenligangen – können fast beliebig ausgewählt und kombiniert werden, um spezielle Materialeigenschaften maßzuschneidern.

Leznoffs Team, im Labor von Michael J. Katz angeführt, wählte einen „Terpy“ genannten Liganden, ein flaches Ringsystem aus drei Pyridineinheiten (aromatische Sechsinge mit einem Stickstoffatom) und Blei als Metallzentrum. Die Komplexe sind über lineare Brückenliganden aus einem zentralen Silber- oder Goldion und zwei Cyanid-Gruppen zu zweidimensionalen Schichten verbunden. Wird das zentrale Blei durch Mangan ersetzt, entstehen eindimensionale leiterartige Strukturen. Im Kristall sind die Blei- und die Mangan-Polymere aber analog angeordnet: die Terpy-Moleküle liegen Fläche zu Fläche senkrecht der Achse des Kristallwachstums – offenbar das entscheidende Kriterium für die hohe Doppelbrechung, die Werte von 0,43 bzw. knapp unterhalb 0,4 erreicht und damit signifikant höher als bei der Mehrzahl anorganischer doppelbrechender Materialien ist.

Eine verbesserte optische Datenspeicherung und Datenübertragung in der Kommunikationstechnik sind mögliche Anwendungsgebiete für hoch doppelbrechende Materialien.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Michael J. Katz, Harini Kaluarachchi, Raymond J. Batchelor, Alexei A. Bokov, Zuo-Guang Ye, Daniel B. Leznoff, Highly Birefringent Materials Designed Using Coordination-Polymer Synthetic Methodology, Angewandte Chemie 119, 8960–8963 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200702885
• AG von Daniel B. Leznoff, Simon Fraser University (Canada):
  http://www.sfu.ca/leznoffgroup/