I materiali organici colorati affascinano gli scienziati già da più di 200 anni. Il colore di un materiale organico deriva tipicamente da interazioni luce-materia che coinvolgono transizioni elettroniche come il trasferimento di carica (CT) all'interno o tra le molecole organiche. La ricerca moderna ha dimostrato che oltre ad essere coloranti, i materiali organici CT possono essere utilizzati per molte altre applicazioni come il fotovoltaico o i dispositivi di illuminazione. Per favorire questo sviluppo e studiare la formazione e le applicazioni di potenziali sistemi di trasferimento di carica supramolecolare, Andreas Rösch ha esplorato diversi approcci per lo sviluppo di potenziali sistemi di modelli.

L'umanità utilizza le vernici già da più di 40000 anni per trasmettere messaggi e preservare il patrimonio culturale. Considerando che i coloranti utilizzati inizialmente erano prodotti naturali, i progressi tecnologici hanno fornito l'accesso a coloranti sintetici come i coloranti azoici che hanno rivoluzionato l'uso dei colori nella vita di tutti i giorni.

Considerando che la ricerca sui sistemi di trasferimento di carica intermolecolare (CT) ha prodotto una pletora di coloranti funzionali per varie applicazioni (opto-)elettroniche, la formazione di complessi CT tra singole molecole è stata utilizzata per la preparazione di molti sistemi supramolecolari in soluzione o in fase bulk.

Interazione luce-materia

Oggi, il colore di una molecola di colorante può essere caratterizzato mediante tecniche analitiche come la spettroscopia ultravioletta-visibile (UV/Vis). In combinazione con la determinazione della struttura chimica e la teoria della chimica quantistica, sono state studiate quantitativamente le relazioni struttura-proprietà dei coloranti organici.

Un'importante interazione luce-materia che è stata spesso utilizzata per creare colori visibili ad occhio nudo è l'assorbimento della luce nel regime visibile. Questa proprietà si trova spesso nei materiali che mostrano il trasferimento di carica tra le parti donatori ricchi di elettroni (D) e accettori poveri di elettroni (A).

A seconda della struttura chimica dei composti coinvolti, La TC può avvenire sia per via intramolecolare (TIC), cioè all'interno di una singola molecola, o intermolecolare, cioè tra due singole molecole. Esempi importanti di composti che mostrano ICT sono i coloranti push-pull. A causa della loro accessibilità sintetica, proprietà fotofisiche sintonizzabili e i loro elevati coefficienti di estinzione, una varietà di tali coloranti organici è già in uso commerciale da più di un secolo.

Sistemi supramolecolari

Oggi, una pletora di coloranti funzionali è disponibile per realizzare una varietà di applicazioni (opto-)elettroniche come sensori, dispositivi di illuminazione e fotovoltaici. A differenza delle TIC, La TC intermolecolare si verifica quando si forma uno stretto addotto di porzioni D e A di due molecole diverse.

Questo addotto viene quindi chiamato complesso CT. Un esempio particolarmente famoso per un complesso CT si forma quando si mescola lo iodio a una soluzione acquosa di amido e si nota dallo sviluppo di un colore blu intenso. Sebbene questa formazione di colore sia già stata segnalata per la prima volta più di 200 anni fa, l'entanglement strutturale del rispettivo complesso CT è stato svelato solo molto più tardi.

Una volta compresi meglio i requisiti strutturali per la formazione dei complessi CT, I complessi CT potrebbero essere utilizzati per progettare sistemi supramolecolari, cioè formare strutture funzionali con dimensioni superiori a una singola molecola.

I dispositivi elettronici del futuro

Nella tesi presentata, Andreas Rösch mira ad ampliare ulteriormente l'ambito della preparazione e dell'applicazione di sistemi di trasferimento di carica organici nell'area della chimica supramolecolare. Nella prima parte di questa tesi, ha preparato nuovi coloranti organici in cui le parti ricche di elettroni e quelle povere di elettroni sono collegate in modo covalente. Egli mostra che una miscela dei composti forma un materiale semiconduttore che non solo trasmette elettroni, ma influenza anche lo spin dell'elettrone.

Poiché la generazione di tale corrente polarizzata con spin è di potenziale interesse per l'applicazione nella catalisi asimmetrica, ha implementato le relazioni struttura-proprietà acquisite nella progettazione di materiali privi di metalli noti per l'applicazione nell'elettrocatalisi.

Nella seconda parte della tesi, ha decorato le superfici con schiere altamente ordinate di motivi ricchi e poveri di elettroni. Una delle architetture generate contiene pile di molecole ricche e povere di elettroni, in cui la stretta vicinanza delle frazioni D e A suggerisce la riuscita formazione di complessi CT sulla superficie. Ha mostrato per la prima volta che una tale architettura può essere formata in modo graduale, approccio non covalente. Questa scoperta ha importanti implicazioni per la progettazione di dispositivi elettronici del futuro con dimensioni su scala nanometrica.