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Trendbericht Anorganische Chemie: Nebengruppen, Koordinationschemie, Bioanorganik und mehr

Hauptgruppen: Beryllium radikalisiert sich, wohingegen das Bor seinen Zauber zeigt und Stickstoff in Ammoniak verwandelt. Silicium nimmt CO auf, und die Pnikogene vereinen sich erstmals alle in einer Verbindung. Nebengruppen und Koordinationschemie: das erste metallbasierte antiaromatische System...

Künstliche Mikroschwimmer brauchen Energie, um voranzukommen, und nutzen dafür Licht. Eine neue Materialkombination speichert nun die Energie, sodass die Partikel sich auch im Dunkeln fortbewegen.
Bestehen Mikroschwimmer aus Halbleitermaterialien wie Kohlenstoffnitrid, bewegen sie sich, indem sie mit ihrer Umgebung chemisch reagieren. Die Energie dazu gewinnen sie aus UV- und sichtbarem Licht, weshalb die Fortbewegung im Dunkeln bisher nur mit Magneten möglich war oder mit Treibstoffen, die verbraucht werden.Nun haben Bettina Lotsch, Metin Sitti und ihre Teams dieses Problem gelöst: Sie nutzen Poly(heptazinimid), PHI, ein zweidimensionales Kohlenstoffnitrid, das Lichtenergie speichert. Es lässt sich günstig und in großen Mengen aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen, sogar aus Urin. Zudem haben die Forscher die PHI-Partikel teilweise mit Gold, Platin oder Siliciumdioxid beschichtet. Die Substanzen helfen, die Trennung von Elektronen und Elektronenlöchern zu kontrollieren, die durch Sonnenlicht im Halbleiter entstehen.Im Regelfall reagieren die Elektronen und die Löcher mit Wasser oder mit Treibstoffen wie Alkoholen oder Wasserstoffperoxid. Durch die zweigeteilte Struktur der Partikel laufen diese Oberflächenreaktionen auf einer Seite stärker, auf der anderen schwächer. Die dabei entstehenden Konzentrationsunterschiede führen dazu, dass sich die Mikroschwimmer bewegen.<h2>Anders als die anderen</h2>Bei den meisten solcher Reaktionen vermuten Forscher als Hauptantriebskraft die Entstehung von Wasserstoff. Im hier beschriebenen Fall ermittelten die Teams die Sauerstoffreduktion als Hauptreaktion. Zugefügter Alkohol beschleunigt die Bewegung der Partikel. Anders sieht es in 0,5-prozentigem Wasserstoffperoxid aus: Darin bewegen sich goldüberzogene Partikel schneller, platinbedeckte langsamer (14,6 ± 0,8 beziehungsweise 13,6 ± 1,1 μm·s–1) als in Methanol. Das scheint auf den ersten Blick ein Nachteil zu sein, erklärt aber, warum nur diese Kombination einen aufladbaren Mikroschwimmer ermöglicht: Platin setzt Wasserstoffperoxid mit einer ähnlich hohen Rate um wie PHI, was die Geschwindigkeit der Partikel verringert.Zunächst scheint auch das Speichern der Energie ein Problem zu sein. Denn angeregte Elektronen reagieren sofort mit ihrer Umgebung und lassen sich somit nicht speichern. Der organische Halbleiter und das Platin sind aber gemeinsam so aktiv, dass ein Überschuss an angeregten Elektronen im PHI entsteht, der sich stabilisieren und daher speichern lässt. Das Verhältnis von Ladezeit zu Bewegungsdauer wäre für Standard-Elektroautos traumhaft: 30 Sekunden Sonnenbaden für bis zu 30 Minuten Schwimmen im Dunkeln.Beitrag: Birgit Ziller, Abteilung Öffentlichkeitsarbeit des DFG-Exzellenzclusters E-Conversion; Ergänzungen von Eliza Leusmann. Der zugehörige Forschungsartikel erschien in Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2020, 117(40), 24748.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ZMoaScfGRNSt1rFWeXAY"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Bild: e-conversion / V. Hiendl</figcaption></figure>

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