Unter Druck: Wissenschaftler entwickeln hochempfindlichen molekularen optischen Drucksensor

Chemiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Universität Montreal (Kanada) haben ein molekulares System entwickelt, das sehr genaue optische Druckmessungen ermöglicht. Als Inspiration dafür diente der Edelstein Rubin.

Allerdings handelt es sich bei dem Material, das in der Gruppe von Prof. Dr. Katja Heinze am Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie entwickelt wurde, um ein wasserlösliches Molekül und nicht um einen unlöslichen Feststoff wie der bekannte Edelstein. Dieses Molekül enthält aber wie Rubin das Element Chrom, das ihm die rote Farbe verleiht, und es wird daher auch molekularer Rubin genannt.

Der molekulare Rubin kann wie der Rubin selbst im Festkörper Druck messen, aber darüber hinaus dank seiner Löslichkeit auch in Lösungen. Somit eröffnet dieses molekulare System Anwendungsmöglichkeiten in der Materialwissenschaft, der homogenen und heterogenen Katalyse und in allen Feldern, wo Druckänderungen überwacht werden müssen.

Der Vorgang der Druckmessung mit dem molekularen Rubin ist denkbar einfach. Die betreffende Stelle wird mit blauem Licht bestrahlt, der molekulare Rubin absorbiert dieses Licht und sendet daraufhin Infrarotstrahlung aus. Je nach Druck ändert sich die Energie des ausgesendeten Lichts in empfindlicher Weise. Anhand dieser Energie kann der vorherrschende Druck abgelesen werden.

Die anspruchsvollen Druckexperimente bis zu 45.000 bar hat Sven Otto, Doktorand aus der Arbeitsgruppe Heinze, in den Laboren der Gruppe von Prof. Dr. Christian Reber an der Universität Montreal durchgeführt. Der Forschungsaufenthalt von Sven Otto war von der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) finanziert worden.

„Die experimentellen Untersuchungen in Montreal waren eine großartige Erfahrung und der schlussendliche Erfolg der Experimente einfach fantastisch“, schwärmt Sven Otto. „Die höchsten Drücke, die wir in einer sogenannten Diamantstempelzelle gemessen haben, sind etwa 45 Mal höher als der Druck an der tiefsten Stelle des Ozeans“, erläutert Otto.

„Die sehr großen Effekte, die wir erzielt haben, sind überwältigend“, ergänzt Professor Christian Reber, ein Experte der Lumineszenzspektroskopie bei hohen Drücken und derzeit ein vom DAAD geförderter Gastwissenschaftler an der JGU. Tatsächlich sind die Effekte bis zu 20 Mal stärker als die des Edelsteins Rubin.

Chance auf völlig neue Anwendungen eröffnet

Das Prinzip der optischen Druckmessung mit Chromverbindungen war bereits zuvor bekannt. Jedoch sind alle diese Verbindungen, wie der Rubin selbst, unlöslich. Somit waren optische Druckmessungen in einer Lösung mit einer einzigen Art von gelösten Molekülen bislang nicht möglich. „Unser molekular Rubin jedoch beherrscht dieses Kunststück“, sagt Professorin Katja Heinze.

„Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse den Weg für völlig neue Anwendungen über die klassischen Anwendungen hinaus, zum Beispiel in der homogenen Katalyse oder in biologischen Systemen, ebnen werden. Wir arbeiten auch genau in diese Richtung weiter“, fügt Heinze hinzu.

Die Arbeit der deutschen und kanadischen Wissenschaftler wurde in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie publiziert.

Gefördert werden diese Forschungsarbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), unter anderem im Rahmen der Graduiertenschule Materials Science in Mainz, und durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD). Die DFG hat vor Kurzem auch das neue Schwerpunktprogramm 2102 „Licht-kontrollierte Reaktivität von Metallkomplexen“ bewilligt, das von Katja Heinze koordiniert wird.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_anorganische_chem_rubin_druck.jpg
Molekularer Rubin in fester (rot) und gelöster (gelb) Form kann berührungsfrei den Druck messen.
Foto/©: Sven Otto, JGU

Veröffentlichung:
Sven Otto et al.
Molecular ruby under pressure
Angewandte Chemie International Editon, 2. Juli 2018
DOI: 10.1002/anie.201806755
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201806755/abstract

Sven Otto et al.
[Cr(ddpd)2]3+: A Molecular, Water-Soluble, Highly NIR-Emissive Ruby Analogue
Angewandte Chemie International Editon, 12. August 2015
DOI: 10.1002/anie.201504894
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201504894/abstract

Kontakt:
Prof. Dr. Katja Heinze
Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-25886
Fax +49 6131 39-27277
E-Mail: katja.heinze@uni-mainz.de
https://www.ak-heinze.chemie.uni-mainz.de/

Weiterführende Links:
https://www.mainz.uni-mainz.de/ – Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ)

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1212_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Johannes Gutenberg-Universität Mainz koordiniert neues DFG-Schwerpunktprogramm in der Photochemie“ (19.04.2017)
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1802_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Molekulares Thermometer für kontaktlose Messungen mit infrarotem Licht“ (07.06.2017)
http://www.uni-mainz.de/presse/63155.php – Pressemitteilung „Katja Heinze erhält Wissenschaftspreis für intelligente Lebensmittelverpackung mit Frischeanzeige“ (24.11.2014)