Kristalle als berührungslose Schalter

Organische Moleküle können ihre Gestalt bei Beleuchtung ändern und auch wiedergewinnen

Von Rainer Scharf

Manche organischen Materialien zeigen eine Lichtempfindlichkeit der besonderen Art. Sie ändern ihre Form und Größe, wenn sie mit Licht der richtigen Wellenlänge bestrahlt werden, und sie kehren - bei geeigneter Belichtung - wieder in ihren anfänglichen Zustand zurück. Bisher hatte man dieses ungewöhnliche Verhalten vor allem an Polymerfilmen beobachtet, wobei einige Sekunden oder Minuten bis zur Reaktion eines Films auf das Licht vergehen konnten. Jetzt haben japanische Forscher erstmals bei Kristallen eine von Licht verursachte Formänderung nachgewiesen, die umkehrbar ist und sogar in Bruchteilen von Sekunden abläuft. Mit lichtempfindlichen Stäbchen aus diesem kristallinen Material könnte man mikroskopisch kleine Schalter oder Aktuatoren herstellen, die sich berührungslos und aus der Ferne mit Licht bedienen ließen.

Die Kristalle, die die Forscher um Masahiro Irie von der Kyushu University untersucht haben, waren zwischen zehn und hundert Mikrometer groß und bestanden aus Diarylethylen-Molekülen. Diese Verbindungen kommen in zwei stabilen Konformationen mit unterschiedlichem Volumen vor. In seinem Zentrum enthält solch ein Molekül einen Ring aus sechs Kohlenstoffatomen, der entweder offen und gewellt ist oder geschlossen und glatt. Durch Bestrahlung der Moleküle mit ultraviolettem Licht von 365 Nanometer Wellenlänge kann man die offenen Ringe schließen und dadurch die zunächst sperrigen Moleküle glätten. Das wiederum hat zur Folge, dass ein Kristall aus Diarylethylen dort schrumpft, wo er vom ultravioletten Licht getroffen wird.

Wie die Forscher berichten, verringerte sich die Länge ihrer Diarylethylen-Kristalle im ultravioletten Licht bis um fünf Prozent ("Nature", Bd. 446, S. 778). Bei anschließender Bestrahlung mit grünem Licht erreichten die Kristalle wieder ihre ursprüngliche Ausdehnung, da sich die Kohlenstoffringe öffneten. Die Kristalle konnten diese Prozedur zwanzigmal durchlaufen, ohne dass dabei Schäden auftraten. Bisher hatte man vergleichbare Längenänderungen nur an dünnen Schichten aus amorphen oder flüssigkristallinen Materialien beobachtet. In denen bereitet es dem ungeordneten Molekülgefüge keine Schwierigkeiten, die von Ort zu Ort unterschiedlich starken Ausdehnungen auszuhalten, ohne zu reißen. Dass die starren und perfekt geordneten Diarylethylen-Kristalle ihre Länge so stark ändern können, ohne Schaden zu nehmen, ist indes ungewöhnlich. Vermutlich gehen die Moleküle gleichmäßig und über den ganzen Kristall verteilt von einer Konformation in die andere über, sodass sich der Kristall spannungsfrei ausdehnen oder zusammenziehen kann.

Im geschrumpften Zustand absorbierten die Diarylethylen-Kristalle das Licht stärker als im ausgedehnten Zustand. Das hatte dramatische Folgen, wie die Forscher an einem 200 Mikrometer langen und etwa sechs Mikrometer dicken Kristallstäbchen beobachten konnten, das sie mit einem Ende an ein Glasplättchen befestigt hatten. Wurde das Stäbchen von der Seite her mit ultraviolettem Licht bestrahlt, so krümmte es sich dem Licht entgegen. Dabei bewegte sich sein freies Ende um mehr als 50 Mikrometer auf die Lichtquelle zu. Die dem Licht zugewandte Seite des Stäbchens zog sich zusammen und absorbierte das Licht, das daraufhin die abgewandte Seite des Stäbchens nicht mehr erreichen und schrumpfen lassen konnte. In grünem Licht wurde das Stäbchen wieder gerade. Dieser Vorgang ließ sich 80 Mal wiederholen, ohne dass das Stäbchen "ermüdete".

Das Kristallstäbchen krümmte sich übrigens extrem schnell. Wurde es mit einem kurzen ultravioletten Lichtblitz beleuchtet, so ging es innerhalb von 25 Millionstel Sekunden in den gekrümmten Zustand über. Wie die Forscher mit Videofilmen belegen, konnte das vorwärts schnellende freie Ende des Stäbchens ein 90 Mal so schweres Goldpartikel in Bewegung setzen oder sogar mit großer Geschwindigkeit wegschießen, so als würde es von einem Baseballschläger getroffen.

Text: F.A.Z., 18.04.2007, Nr. 90 / Seite N1