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Günstigere und robustere Alternative zu Edelmetallen für Elektronik
Bildschirme von Smartphones und Solarzellen enthalten oft seltene und deshalb teure Edelmetalle wie Iridium oder Ruthenium. Forschende der Universität Basel haben eine kostengünstigere und weniger toxische Alternative auf der Basis von Mangan entwickelt.
Iridium, das in organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) zum Einsatz kommt, ist seltener als Gold und Platin. Auch Ruthenium, das in Solarzellen Verwendung findet, gehört zu den seltensten stabilen Elementen. Nicht nur sind diese Metalle durch ihre Seltenheit sehr teuer, sie sind in vielen Verbindungen auch toxisch.
Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Oliver Wenger und seinem Doktoranden Patrick Herr von der Universität Basel ist es erstmals gelungen, leuchtende Mangan-Komplexe herzustellen, in denen unter Bestrahlung mit Licht die gleichen Reaktionen ablaufen wie in Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen. Davon berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift «Nature Chemistry».
Der Vorteil von Mangan: Es kommt in der Erdkruste 900’000-mal häufiger vor als Iridium, ist deutlich weniger giftig und um ein Vielfaches billiger.
Noch sei die Leuchteffizienz der neuen Mangan-Komplexe um Einiges geringer als diejenige von Iridium-Verbindungen, berichteten die Forschenden in einer Mitteilung vom Montag. Einzelne lichtgetriebene Reaktionen, die für die künstliche Fotosynthese nötig sind und in bestimmten Typen von Solarzellen eine wichtige Rolle spielen, laufen bei den Mangan-Komplexen jedoch mit vielversprechend hohen Geschwindigkeiten ab.
«Wichtiger Durchbruch»
Das Hauptproblem, das sich den Forschenden stellte, lag darin, dass Komplexe von kostengünstigen Metallen sich normalerweise durch die Aufnahme von Lichtenergie stärker verzerren als Edelmetall-Verbindungen. Dadurch beginnen die Komplexe zu schwingen und ein Grossteil der aufgenommenen Lichtenergie geht verloren.
Die Wissenschaftler lösten die Aufgabe, indem sie massgeschneiderte Molekülbestandteile in die Komplexe einbauten, um das Mangan in eine steife Umgebung zu zwingen und Schwingungen dadurch zu verhindern. Dieses Bauprinzip erhöhe zudem die Stabilität der resultierenden Verbindungen und mache sie gegenüber Zersetzungsprozessen robuster, erläutern sie.
Bisher sei es noch niemandem gelungen, molekulare Komplexe mit Mangan zu schaffen, die bei Raumtemperatur in Lösung leuchten können und diese speziellen Reaktionseigenschaften hätten, so Wenger. «Patrick Herr und die beteiligten Postdoktoranden haben damit wirklich einen Durchbruch geschafft, der neue Möglichkeiten ausserhalb des Bereichs der Edelmetalle und Halbedelmetalle eröffnet.»
Nächster Schritt: Krebstherapie
In zukünftigen Forschungsarbeiten wollen Wenger und seine Forschungsgruppe die Leuchteigenschaften der neuen Mangan-Komplexe verbessern und sie auf geeigneten Halbleitermaterialien für Solarzellen verankern.
Andere mögliche Weiterentwicklungen wären wasserlösliche Varianten der Mangan-Komplexe, die möglicherweise anstelle von Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen in der photodynamischen Therapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden könnten.
*Fachpublikationsnummer doi: 10.1038/s41557-021-00744-9