Moleküle, welche Licht einfangen und die Energie der Photonen zielgerichtet zur Steuerung chemischer Prozesse bereitstellen, spielen in vielen technisch-naturwissenschaftlichen Bereichen eine bedeutende Rolle. In den Materialwissenschaften wandeln photoaktive Moleküle Sonnenlicht in erneuerbare Energien um. Die Lebenswissenschaften verwenden Substanzen, welche Licht einfangen und umwandeln, zur Sichtbarmachung von biologischen Prozessen. In der Medizin dienen lichtaktivierbare Moleküle zur Bekämpfung mikrobieller Infektionen oder zur Behandlung von Krebs. Das gezielte Design solcher Moleküle ist deshalb von großer Wichtigkeit.
Chemiker*innen der Universität Wien haben nun, in Zusammenarbeit mit Kolleg*innen aus Großbritannien und Spanien, ein neues Verfahren entwickelt, um wissen zu können, wohin die Elektronen gehen, wenn sie durch Licht angeregt werden. Damit lassen sich die im Molekül ablaufenden Prozesse besser verstehen und die Entwicklung neuer Substanzen beschleunigen.
Schicksal der Elektronen
Viele Prozesse in Natur und Technik beruhen auf der Umwandlung von Sonnenlicht in chemisch nutzbare Energie. Sonnenlicht wird von einem zentralen Metallatom eingefangen. Die dadurch aufgenommene Energie wird weitergeleitet, indem ein Elektron vom Metallatom zu einem benachbarten Molekülfragment übertragen wird. In organischen Solarzellen dient dieses energiereiche Elektron zur Gewinnung elektrischer Energie. In einem Medikament kann das energiereiche Elektron benachbarte Moleküle oxidieren und somit zum Beispiel Krebszellen abtöten.
Die Entwicklung neuer photoaktiver Substanzen ist daher ein wichtiger Bestandteil der chemischen Forschung. Theorie, Computersimulationen und Experimente im Labor gehen dabei heutzutage Hand in Hand. Die Vorhersage der Eigenschaften photoaktiver Moleküle mittels theoretischer Überlegungen und Berechnungen am Computer hilft dabei, den Aufwand und die Kosten der Laborexperimente so gering wie möglich zu halten.
Neues Werkzeug zum Moleküldesign
Ein neues Werkzeug zum Design photoaktiver Metallkomplexe haben nun Forscher der Arbeitsgruppe von Leticia González der Universität Wien vorgestellt. Zusammen mit englischen und spanischen Kolleg*innen wurde eine Methode entwickelt, mit der sich der Elektronenfluss innerhalb eines Moleküls vorhersagen lässt. Dabei lassen sich die Simulationen automatisieren und können somit ohne Beeinflussung von außen durchgeführt werden. Neue Moleküle können aus Fragmenten aufgebaut werden, welche wie Legobausteine zusammengesetzt werden.
"Mit dem neuen Tool kann vorhergesagt werden, wie sich die Elektronen im Molekül nach der Lichteinwirkung verteilen. Dies beschleunigt das Design neuer Moleküle", sagt Pedro A. Sánchez-Murcia, einer der an der Studie beteiligten Wissenschafter*innen der Universität Wien und Erstautor der Arbeit.
In der in der renommierten Fachzeitschrift "Chemical Science" veröffentlichten Arbeit zeigen die Chemiker*innen am Beispiel einer Rutheniumverbindung, die auch in organischen Solarzellen zum Einsatz kommt, wie sich der gerichtete Elektronenfluss innerhalb des Moleküls vorhersagen lässt. Systematische Modifikation der einzelnen Bestandteile des Gesamtmoleküls, also ein Austausch einzelner Legosteine, führt zu einer Veränderung des Elektronenflusses. Die von der neuen Rechenmethode vorhergesagten Änderungen entsprechen dabei den experimentellen Beobachtungen.
Nutzen für die Gesellschaft
"Die Entwicklung neuer Verbindungen, mit deren Hilfe zum Beispiel künstliche Photosynthese und damit die umweltfreundliche Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie betrieben werden kann, lässt sich mit unserer Methode besser konzipieren", betont Leticia González. "Die Aufgabe der Wissenschaft ist es, Lösungen für Probleme zu finden und das Leben der Menschen zu verbessern. Jetzt blickt jeder auf COVID-19, aber wir dürfen andere Herausforderungen, die unseren Planeten bedrohen, wie den Klimawandel oder die Bekämpfung von Krebs, nicht vernachlässigen."
Publikation in Chemical Science:
Orbital-free photophysical descriptors to predict directional excitations in metal-based photosensitizers. P. A. Sánchez-Murcia, J. J. Nogueira, F. Plasser, L. González, in Chemical Science 2020, DOI: 10.1039/D0SC01684E
