Flache Fullerenfragmente, die Elektronen anziehen

„Unsere Arbeit könnte zu neuen Möglichkeiten in einer Vielzahl von Anwendungen führen, etwa bei Halbleitern, photoelektrischen Umwandlungsgeräten, Batterien und Katalysatoren“, sagt Gruppenleiterin Aiko Fukazawa vom Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS).

Buckminsterfulleren (oder einfach „Buckyball“) ist ein Molekül, in dem 60 Kohlenstoffatome zu einer Kugelform verbunden sind. Es wurde nach strukturellen Ähnlichkeiten mit den vom berühmten Architekten Buckminster Fuller entworfenen geodätischen Kuppeln benannt und seine einzigartige Struktur hat seit jeher das Interesse von Wissenschaftlern geweckt. Das Buckminsterfulleren und verwandte kugelförmige Kohlenstoffcluster mit unterschiedlicher Anzahl an Kohlenstoffatomen werden umgangssprachlich nach Fullers Nachnamen als Fullerene bezeichnet. Eine ihrer faszinierendsten Eigenschaften ist die Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen, ein Prozess, der als Reduktion bezeichnet wird. Aufgrund ihres elektronenaufnehmenden Charakters wurden Fullerene und ihre Derivate ausführlich als elektronentransportierende Materialien in organischen Dünnschichttransistoren und in der organischen Photovoltaik untersucht. Dennoch sind Fullerene im Vergleich zu anderen herkömmlichen organischen Elektronenakzeptoren aufgrund ihrer Robustheit gegenüber der Aufnahme mehrerer Elektronen eine ungewöhnliche Materialklasse.

Theoretische Chemiker haben drei mögliche Faktoren vorgeschlagen, die hinter der Fähigkeit von Fulleren zur Elektronenaufnahme stehen könnten: die hohe Symmetrie des gesamten Moleküls, seine Kohlenstoffatome mit pyramidenförmig angeordneten Bindungen und das Vorhandensein fünfeckiger Unterstrukturen, die auf sechsgliedrige Ringe verteilt sind.

Das Kyoto-Team konzentrierte sich auf den Einfluss der fünfeckigen Ringe. Sie entwarfen und synthetisierten abgeflachte Fullerenfragmente und bestätigten experimentell, dass diese Moleküle ohne Zersetzung bis zu so viele Elektronen aufnehmen können, wie Fünfringe in ihrer Struktur vorhanden sind.

„Diese überraschende Entdeckung unterstreicht die entscheidende Bedeutung der fünfeckigen Unterstruktur für die Erzeugung stabiler Multielektronen-Akzeptorsysteme“, sagt Fukazawa.

Experimente ergaben auch, dass die Fragmente eine erhöhte Absorption von ultraviolettem, sichtbarem und nahem Infrarotlicht aufweisen, verglichen mit einer geringeren Absorption durch Fulleren selbst. Dies könnte neue Möglichkeiten in der Photochemie eröffnen, etwa die Nutzung von Licht zur Auslösung chemischer Reaktionen oder die Entwicklung von Lichtsensoren oder solarbetriebenen Systemen.

Das Team wird nun die Möglichkeiten untersuchen, die ihre flachen Fullerenfragmente in den vielfältigen Anwendungen im Zusammenhang mit Elektronentransferprozessen bieten. Es ist ungewöhnlich, bei Molekülen, die nur aus Kohlenstoff bestehen, eine so hohe Fähigkeit zur Elektronenaufnahme zu erreichen, ohne dass die typische Notwendigkeit entfällt, andere elektronenziehende Atome oder funktionelle Gruppen in ein kohlenstoffbasiertes Gerüst einzuführen. Die weitere Untersuchung der Auswirkungen des Einbaus anderer Atome oder chemischer Gruppen könnte jedoch zu zusätzlicher Kontrolle und Vielseitigkeit der chemischen Eigenschaften führen.

„Wir hoffen, Pionierarbeit in der Wissenschaft und Technologie der sogenannten Superelektronen-akzeptierenden Kohlenwasserstoffe zu leisten, indem wir ihren hohen Freiheitsgrad für die Erforschung der Auswirkungen struktureller Modifikationen nutzen“, sagt Fukazawa.