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    Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese

    Supramolekulare Materialien (AK Kurth)

    Der Arbeitskreis von Prof. Kurth beschäftigt sich mit selbstorganisierenden stimuli-responsiven Polymeren auf der Basis von Metallionen-Koordination. Die Strukturen und die Eigenschaften der gebildeten metallo-supramolekularen Polymere sollen eingehend untersucht werden. Die Arbeiten befassen sich mit der Synthese und der Kombination der molekularen Bausteine sowie mit den Struktur- und Eigenschaftsuntersuchungen.

    Selbstorganisation ("self-assembly") ist ein Prinzip der Materialwissenschaften, welches immer mehr an Bedeutung gewinnt. Dabei wird das gewünschte Material durch den geeigneten Aufbau seiner Bausteine und durch deren Wechselwirkungen untereinander maßgeschneidert. Das self-assembly wird dabei von Vorgängen aus der Natur inspiriert und basiert auf schwache Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Modulen, wie Wasserstoff-Brückenbindung, Metallionen-Koordination oder van-der-Waals-Kräfte. So entstehen stimuli-responsive Materialien, die ihre Struktur und Eigenschaft durch einen äußeren Reiz (Temperatur, pH-Wert, etc.) verändern oder an die Umgebung anpassen können und ein großes Potenzial für die Entwicklung neuer Funktionswerkstoffe besitzen. Die Einbeziehung von Metall-Ionen in die Strukturen führt zu Wert steigernden Funktionen, die für magnetische, optische und elektronische Anwendungen von Interesse sind.

    Abb. 1: Schematischer Aufbau von MEPEs
    Abb. 2: Schema zur Bildung von PACs aus MEPE und Amphiphilen an der Phasengrenzfläche

    Im AK Kurth steht vor allem die Selbstorganisation von supramolekularen Metallkomplex-Systemen im Vordergrund. Bei deren Herstellung werden zum Beispiel ditopische Bisterpyridin-Liganden und kinetisch labile ÜM-Ionen wie Fe(II) oder Ni(II) eingesetzt. Dabei entstehen sogenannte metallo-supramolekulare Polyelektrolyte (MEPEs) (s. Abb. 1). MEPEs können in verschiedene Systeme wie mesoporöse Materialien oder Beschichtungsfilme als elektrochrome oder magnetische Materialien eingearbeitet werden, um die Eigenschaften der Trägermaterialien zu modifizieren.

    Abb. 3: Kalottenmodell eines PACs

    Die Gegenionen der MEPEs können durch ionische Amphiphile wie Dehexadecylphosphate (DHP) ausgetauscht werden, wobei Polyelektolyt-Amphiphil-Komplexe Komplexe (PACs) mit flüssig-kristallinen Eigenschaften entstehen (s. Abb. 2 und 3). Der modulare Aufbau der PAC aus Metallionen, Liganden und Amphiphilen ermöglicht es, die Struktur und die Eigenschaften der PAC durch die Auswahl der Bausteine maßzuschneidern. Durch Phasenübergänge solcher amphiphilen Mesophasen kann mechanische Spannung in dem System erzeugt werden, was zu einer Veränderung der Koordinations-Geometrie um das Metallzentrum führt. Dadurch können zum Beispiel die Spin-Zustände des Metallions verändert und somit die elektronische Konfiguration des Metallo-Supramoleküls eingestellt werden.

    Die Arbeit an solchen und ähnlichen supramolekularen Sytemen stellt eine Erweiterung der makromolekularen Chemie über Kohlenstoff-basierende Polymere hinaus dar. Dadurch kann die strukturelle Vielfallt und die Kapazität an Eigenschaften von Makromolekülen enorm gesteigert werden.

    Publikationen:

    Nanoscience & Nanotechnologie

    Directing supramolecular assemblies on surfaces (Feature Article), J. Mater. Chem. 18 (2008) 2636-2649. [105]

    Perfectly Straight Nanostructures of Metallosupra­molecular Coordination Poly­electrolyte–Amphiphile Complexes on Graphite, Angew. Chem. Int. Ed. 114 (2002) 3681. [38]

    Advanced Materials

    Soluble Dynamic Coordination Polymers as Paradigm for Materials Science, Coord. Chem. Rev. 252 (2008) 199-211. [95]

    Inducing spin crossover in metallo-supramolecular polyelectrolytes through an amphiphilic phase transition, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 3110. [58]

    Biomaterialien

    Self-assembly of electro-active protein architectures on electrodes for the construction of biomimetic signal chains, Chem. Commun. Feature Article (auf Einladung) 2009, 274-283. [113]

    Smart Polyoxometalate-Based Nitrogen Monoxide Sensors. Anal. Chem. 76 (2004) 4579. [51]

    Materialwissenschaften

    Metallosupramolecular polyelectrolytes self-assembled from various pyridine ring-substituted bisterpyridines and metal ions: Photophysical, electrochemical, and electrochromic properties, J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 2073-2081. [100]

    The solid-state organization of metallosupramolecular polyelectrolytes solved by electron diffraction, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (2006) 10202-10206. [79]

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