19.05.2025

Energiefluss in Molekül steuern

Singulett-Spaltung lässt sich über den pH-Wert einstellen – unter anderem interessant für Sensoren in der medizinischen Diagnostik.

Einem internationalen Team ist es gelungen, den Energiefluss in einem Molekül mit Hilfe des pH-Werts zu steuern. Die Studie unter Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) könnte etwa zur Entwicklung neuartiger Sensoren für die medizinische Diagnostik beitragen. Auch für den Bau effizienterer Solarzellen und für das Quantencomputing sind die Erkenntnisse von Interesse.

Abb.: Der Energiefluss lässt sich mit chemischen Signalen kontrollieren.
Quelle: FAU / KI-generiertes Bild

Im Zentrum der Studie steht ein Prozess, der sich „Singulett-Spaltung“ nennt. Er soll etwa in künftigen Generationen von Solarzellen für eine bessere Ausnutzung des Lichts und damit höhere Wirkungsgrade sorgen. Denn bislang verpufft ein großer Teil der eingestrahlten Energie und wird als Wärme freigesetzt. Das liegt an der Art und Weise, wie Solarzellen arbeiten – nämlich im Prinzip ähnlich wie eine Auto-Hupe. Ob man gefühlvoll auf das Zentrum des Lenkrads drückt oder kräftig mit der Faust dagegen schlägt: das Resultat ist dasselbe, nämlich ein einzelner Hupton. In herkömmlichen Solarzellen ist das genauso: Jedes Photon, egal wie energiereich, regt ein einziges Elektron an, das dann als Ladungsträger zur Verfügung steht.

Es gibt aber Lichtteilchen, die eigentlich genügend Power für zwei Elektronen hätte. „Hier kommt die Singulett-Spaltung ins Spiel“, erklärt Dirk Guldi vom Lehrstuhl für physikalische Chemie der FAU: „Dieser Prozess sorgt dafür, dass die Energie des Photons sozusagen aufgeteilt wird, so dass damit zwei Elektronen angeregt werden können. Zusammen mit einem Team der Universität Alberta in Kanada ist es uns nun gelungen, diesen Vorgang schaltbar zu machen.“

Dazu nutzten die Forscher ein Molekül aus der Gruppe der Tetrazene. Die Verbindung wird durch energiereiche Photonen in den Singulett-Anregungszustand versetzt. Dieser spaltet sich dann in kurzer Zeit in zwei energieärmere Triplett-Zustände auf. „Wir haben unser Molekül chemisch so modifiziert, dass es in einer sauren Umgebung Protonen bindet“, erklärt Guldi. „Dadurch verändern sich seine Eigenschaften, sodass die Singulett-Spaltung nicht mehr stattfinden kann.“

Wenn keine Spaltung erfolgt, zerfällt der Singulett-Zustand binnen kurzer Zeit unter Abgabe von Licht. Die Verbindung leuchtet daher im sauren Milieu auf. In einem alkalischen Umfeld bleibt sie dagegen dunkel. „Diesen Mechanismus könnte man eventuell für neuartige Sensoren für die medizinische Diagnostik nutzen“, erklärt Guldi.

Zudem erlaubt der Erfolg neue Einblicke in die Art und Weise, in der die Singulett-Spaltung in Tetrazenen genau abläuft. Mit diesem Wissen lasse sich der Prozess in Zukunft möglicherweise weiter optimieren, hofft der Wissenschaftler. „Bis sich damit neue, deutlich effizientere Solarzellen konzipieren lassen, liegt allerdings noch viel Arbeit vor uns“, sagt er. „Doch unsere Ergebnisse könnten auf diesem Weg immerhin ein weiterer wichtiger Schritt sein.“ Neue Perspektiven könnten sie auch für die Entwicklung von Quantencomputern eröffnen, die bestimmte Probleme besonders schnell lösen können.

FAU / DE