SFB 677: Funktion durch Schalten
Biologie
Informatik, System- und Elektrotechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Medizin
Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Schalten ist der elementare Schritt in den meisten technischen Funktionen und Maschinen. Schalter bilden die Grundlage technischer und biologischer Prozesse wie gerichteter Transport, Pumpen, Energieumwandlung, Sensorik, Informationsspeicherung und -verarbeitung. Die Miniaturisierung der Schalteinheiten in elektronischen Schaltkreisen und mechanischen Komponenten löste eine beispiellose Entwicklung aus, die als sogenannte zweite technologische Revolution unser Leben und die Gesellschaft in vielen Aspekten verändert hat. Es wurde vorausgesagt, dass die sogenannte dritte industrielle Revolution auf Technologien zur Verkleinerung dreidimensionaler Objekte basieren wird. Das ultimative Limit der Miniaturisierung zur Konstruktion funktionaler Objekte sind molekulare Schalter. Neben ihrer überlegenen Effizienz sind molekulare Schalter und Maschinen größen- und funktionskompatibel mit biologischen Systemen und molekularer Elektronik. Dadurch eröffnen sich völlig neue Anwendungen und Hybridtechnologien. Das enorme Potential der molekularen Nanotechnologie hat weltweit intensive Forschungsaktivitäten angestoßen und wurde letztendlich mit dem Nobelpreis für Chemie 2016 an Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart und Ben Feringa gekrönt. Mit anderen Worten, als wir unseren SFB 2007 begannen, haben wir exakt das richtige Thema zur richtigen Zeit ausgewählt. Durch den frühen Start konnten wir wesentliche Beiträge zur Entwicklung dieses international kompetitiven Feldes liefern. Während der drei Förderperioden erlangte unser SFB weltweite Sichtbarkeit und Anerkennung. Ein molekularer Schalter ist noch keine Maschine und führt nicht notwendigerweise zu einer nützlichen Funktion. Um von einem Schaltvorgang zu einer Funktion zu gelangen, muss der molekulare Schalter in eine wohldefinierte Umgebung eingebettet sein und in einer kontrollierten Weise interagieren. Daher haben wir unseren SFB in drei Projektbereiche aufgeteilt: A: Design, Synthese und Charakterisierung in Lösung, B: Immobilisierung und Untersuchung auf Oberflächen und C: Implementierung von Schaltern in Materialien. Im Durchschnitt arbeiteten über 100 Wissenschaftler (Doktoranden, Postdocs, Professoren) aus Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Pharmazie während der Förderdauer zusammen. Um die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu fördern, leiteten PIs aus unterschiedlichen Fachrichtungen die Mehrzahl der Projekte gemeinsam. Wichtige Durchbrüche konnten in allen drei Bereichen erreicht werden. Neue Schalter mit unübertroffener Effizienz (Quantenausbeute, Konversionsrate und Ermüdungsfreiheit) und präzendenzlosen Funktionen wie das erste magnetisch bistabile Molekül wurden entwickelt. Zwei bahnbrechende Publikationen wurden jeweils weit über 200mal zitiert und eröffneten neue Forschungsgebiete und Anwendungen, wie z.B. die Entwicklung durch Licht aktivierbarer Arzneimittel oder schaltbarer Kontrastmittel für die Magnet - resonanztomographie. In Projektbereich B entwickelten wir eine neuartige Strategie zur Immobilisierung von Molekülen auf Oberflächen, das sogenannte Plattform-Konzept. Seit unserer Publikation 2009 nutzen weltweit zahlreiche Gruppen unsere Methode. Bei der Anwendung unserer Strategie endeckten wir eine neue Form von Katalyse. Der durch Metalloberflächen vermittelte, nicht-adiabatische Mechanismus, kann möglicherweise zur Entwicklung neuer Katalysatoren genutzt werden. Weitere Höhepunkte waren die Entdeckung und detaillierte Untersuchung von Spin-Crossover-Verbindungen auf Oberflächen sowie Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von molekularen Schaltern und anderen kontrollierten Kontakten. Entscheidend für den Erfolg des SFB 677 war die enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen. Unter den 400 Publikationen in Peer-Review-Journals und 6 Patenten waren 21% gemeinsame Publikationen von PIs aus verschiedenen Projekten und über 50% der Veröffentlichungen enthalten die Namen mehrerer PIs in der Autorenliste. Die Sichtbarkeit und Qualität unserer Forschung kann auch an den 14 SFB-Mitgliedern abgelesen werden, die Rufe an auswärtige Institutionen erhielten oder Dauerstellen als Professoren annahmen. 75 Dissertationen wurden abgeschlossen. Über den wissenschaftlichen Erfolg hinaus hatte unser SFB einen wichtigen Einfluss auf die Forschungs prioritäten an der Universität Kiel. Ein neuer Forschungsschwerpunkt, Kiel Nano Surface & Interface Science (KiNSIS) wurde 2013 eingeführt. Besonders stolz sind wir auf zwei erfolgreiche Ausgründungen durch SFB-Mitglieder.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Orientationally Ordered (7 * 7) Superstructure of C60 on Au(111). Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 226105/1-226105/4
G. Schull, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.99.226105) - Conductance of Oriented C60 Molecules. Nano Lett. 2008, 8, 1291-1295
N. Neel, J. Kröger, L. Limot, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl073074i) - Highly Efficient Reversible Z−E Photoisomerization of a Bridged Azobenzene with Visible Light through Resolved S1(nπ*) Absorption Bands. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15594 - 15595
R. Siewertsen, H. Neumann, B. Buchheim-Stehn, R. Herges, C. Naether, F. Renth, F. Temps
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja906547d) - Local density of states from constant-current tunneling spectra. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2009, 80, 125402
M. Ziegler, N. Néel, A. Sperl, J. Kröger, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.125402) - Mounting Freestanding Molecular Functions onto Surfaces: The Platform Approach. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 442-443
B. Baisch, D. Raffa, U. Jung, O. Magnussen, C. Nicolas, J. Lacour, J. Kubitschke, R. Herges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja807923f) - Passing Current through Touching Molecules. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 206803
G. Schull, T. Frederiksen, M. Brandbyge, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.103.206803) - Pushing and Pulling a Sn Ion through an Adsorbed Phthalocyanine Molecule. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3639-3643
Y. Wang, J. Kröger, R. Berndt, W. Hofer, Werner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja807876c) - Structural and Electronic Properties of Ultrathin Tin-Phthalocyanine Films on Ag(111) at the Single-Molecule Level. Angew. Chem. 2009, 121, 1287-1291
Y. Wang, J. Kröger, R. Berndt, W. Hofer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ange.200803305) - Supramolecular Patterns controlled by Electron Interference and Direct Intermolecular Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 10400-10402
Y. Wang, X. Ge, C. Manzano, J. Kröger, R. Berndt, W. Hofer, H. Tang, J. Cerda
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja903506s) - Atomic-Scale Control of Electron Transport through Single Molecules. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 176802
Y. Wang, J. Kröger, R. Berndt, H. Vázquez, M. Brandbyge, M. Paulsson
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.104.176802) - Coordination-Induced Spin Crossover (CISCO) through Axial Bonding of Substituted Pyridines to Nickel-Porphyrins: sigma-Donor vs pi-Acceptor Effects. Chem. Eur. J. 2010, 16, 9928-9937
S. Thies, C. Bornholdt, F. Köhler, F.D. Sönnichsen, C. Näther, F. Tuczek, R. Herges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201000603) - CoPc adsorption on Cu(111): Origin of the C4 to C2 symmetry reduction. J. Chem. Phys. 2010, 133, 154701
R. Cuadrado, J.I. Cerdá, Y. Wang, G. Xin, R. Berndt, H. Tang
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3502682) - Photoswitching Behavior of Azobenzene-Containing Alkanethiol Self-Assembled Monolayers on Au Surfaces. Langmuir 2010, 26, 13913-13923
U. Jung, O. Filinova, S. Kuhn, D. Zargarani, C. Bornholdt, R. Herges, O. Magnussen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la1015109) - Spatiotemporal control of nano-optical excitations. Proc. Nat. Acad. Sci. 2010, 107, 5329-5333
M. Aeschlimann, M. Bauer, D. Bayer, T. Brixner, S. Cunovic, F. Dimler, A. Fischer, W. Pfeiffer, M. Rohmer, C. Schneider, F. Steeb, C. Strüber, D.V. Voronine
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.0913556107) - Atomic-scale engineering of electrodes for single-molecule contacts. Nature Nanotech. 2011, 6, 23-27
G. Schull, T. Frederiksen, A. Arnau, D. Sánchez-Portal, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2010.215) - Azobenzene-Containing Triazatriangulenium Adlayers on Au(111): Structural and Spectros copic Characterization. Langmuir 2011, 27, 5899-5908
U. Jung, S. Kuhn, U. Cornelissen, F. Tuczek, T. Strunskus, V. Zaporojtchenko, J. Kubitschke, R. Herges, O. Magnussen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la104654p) - Charge Injection through Single and Double Carbon Bonds. Nano Lett. 2011, 11, 3142-3146
G. Schull, Y.J. Dappe, C. Gonzalez, H. Bulou, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl201185y) - Controlled Metalation of a Single Adsorbed Phthalocyanine. Angew. Chem. 2011, 123, 5406-5409
A. Sperl, J. Kröger, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ange.201100950) - Coverage-Driven Electronic Decoupling of Fe-Phthalocyanine from a Ag(111) Substrate. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12173-12179
T.G. Gopakumar, T. Brumme, J. Kröger, C. Toher, G. Cuniberti, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jp2038619) - Design of a Perfect Black Absorber at Visible Frequencies Using Plasmonic Metamaterials. Adv. Mater. 2011, 23, 5410-5414
M.K. Hedayati, M. Javaherirahim, B. Mozooni, R. Abdelaziz, A. Tavassolizadeh, V.S.K. Chakravadhanula, V. Zaporojtchenko, T. Strunkus, F. Faupel, M. Elbahri
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201102646) - First observation of light-induced spin change in vacuum deposited thin films of iron spin crossover complexes. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2011, 40, 636
H. Naggert, A. Bannwarth, S. Chemnitz, H. van Hofe, E. Quandt, F. Tuczek
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c1dt10651a) - Magnetic Bistability of Molecules in Homogeneous Solution at Room Temperature. Science 2011, 331, 445-448
S. Venkataramani, U. Jana, M. Dommaschk, F.D. Sönnichsen, F. Tuczek, R. Herges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1201180) - Superior Z→E and E→Z photoswitching dynamics of dihydrodibenzodiazocine, a bridged azobenzene, by S1(nπ*) excitation at λ = 387 and 490 nm. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 1054-1063
R. Siewertsen, J.B. Schönborn, B. Hartke, F. Renth, F. Temps
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c0cp01148g) - The First Porous MOF with Photoswitchable Linker Molecules. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2011, 40, 4217-4222
A. Modrow, D. Zargarani, R. Herges, N. Stock
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c0dt01629b) - Electron-Induced Spin Crossover of Single Molecules in a Bilayer on Gold. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6262-6266
T.G. Gopakumar, F. Matino, H. Naggert, A. Bannwarth, F. Tuczek, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201201203) - FeIII Spin-Crossover Complexes with Photoisomerizable Ligands: Experimental and Theoretical Studies on the Ligand-Driven Light-Induced Spin Change Effect. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 2776-2783
A. Bannwarth, O. Schmidt, G. Peters, F.D. Sönnichsen, W. Thimm, R. Herges, F. Tuczek
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ejic.201101227) - Introducing a photo-switchable azo-functionality inside Cr-MIL-101-NH2 by covalent postsynthetic modification. Dalton Trans. 2012, 41, 8690-8696
A. Modrow, D. Zargarani, R. Herges, N. Stock
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2dt30672g) - Joining the Un-Joinable: Adhesion Between Low Surface Energy Polymers Using Tetrapodal ZnO Linkers. Adv. Mater. 2012, 24, 5676-5680
X. Jin, J. Strueben, L. Heepe, A. Kovalev, Y.K. Mishra, R. Adelung, S.N. Gorb, A. Staubitz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201201780) - Light Emission Probing Quantum Shot Noise and Charge Fluctuations at a Biased Molecular Junction. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 186601
N.L. Schneider, J.T. Lu, M. Brandbyge, R. Berndt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.186601) - Saccharide-Modified Nanodiamond Conjugates for the Efficient Detection and Removal of Pathogenic Bacteria. Chem. Eur. J. 2012, 18, 6485-6492
M. Hartmann, P. Betz, Y. Sun, S.N. Gorb, T.K. Lindhorst, A. Krueger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201104069) - A Novel Concept for Self-Reporting Materials: Stress Sensitive Photoluminescence in ZnO Tetrapod Filled Elastomers. Adv. Mater. 2013, 25, 1342-1347
X. Jin, M. Götz, S. Wille, Y.K. Mishra, R. Adelung, C. Zollfrank
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201203849) - Fabrication of Macroscopically Flexible and Highly Porous 3D Semiconductor Networks from Interpenetrating Nanostructures by a Simple Flame Transport Approach. Particle & Particle Systems Characterization 2013, 30, 775-783
Y.K. Mishra, S. Kaps, A. Schuchardt, I. Paulowicz, X. Jin, D. Gedamu, S. Freitag, M. Claus, S. Wille, A. Kovalev, S.N. Gorb, R. Adelung
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ppsc.201300197) - Formation of Self-organized Silver Nanocup-Type Structures and Their Plasmonic Absorption. Plasmonics 2013, 8, 811-815
Y.K. Mishra, R. Adelung, G. Kumar, M. Elbahri, S. Mohapatra, R. Singhal, A. Tripathi, D.K. Avasthi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11468-013-9477-2) - Rapid Fabrication Technique for Interpenetrated ZnO Nanotetrapod Networks for Fast UV Sensors. Adv. Mater. 2013, 26, 1541-1550
D. Gedamu, I. Paulowicz, S. Kaps, O. Lupan, S. Wille, G. Haidarschin, Y. K. Mishra, R. Adelung
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201304363) - Spin-Crossover Complex on Au(111): Structural and Electronic Differences Between Mono- and Multilayers. Chem. Eur. J. 2013, 19, 15702-15709
T. G. Gopakumar, M. Bernien, H. Naggert, F. Matino, C.F. Hermanns, A. Bannwarth, S. Mühlenberend, A. Krüger, D. Krüger, F. Nickel, W. Walter, R. Berndt, W. Kuch, F. Tuczek
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201302241) - Nanocomposite Electrospun Nanofiber Membranes for Environmental Remediation. Materials 2014, 7, 1017-1045
S. Homaeigohar, M. Elbahri
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma7021017) - Highly Efficient Thermal and Light-Induced Spin-State Switching of an Fe(II) Complex in Direct Contact with a Solid Surface. ACS Nano 2015, 9, 8960-8966
M. Bernien, H. Naggert, L.M. Arruda, L. Kipgen, F. Nickel, J. Miguel, C.F. Hermanns, A. Krüger, D. Krüger, E. Schierle, E. Weschke, F. Tuczek, W. Kuch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02840) - Photoswitchable Magnetic Resonance Imaging Contrast by Improved Light-Driven Coordination-Induced Spin State Switch. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7552–7555
M. Dommaschk, M. Peters, F. Gutzeit, C. Schütt, C. Näther, F.D. Sönnichsen, S. Tiwari, C. Riedel, S. Boretius, R. Herges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.5b00929) - Switching of Bacterial Adhesion to a Glycosylated Surface by Reversible Reorientation of the Carbohydrate Ligand. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14583-14586
T. Weber, V. Chandrasekaran, I. Stamer, M.B. Thygesen, A. Terfort, T.K. Lindhorst
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201409808) - Heterodiazocines: Synthesis and Photochromic Properties, Trans to Cis Switching within the Bio-optical Window. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13111-13114
M. Hammerich, C. Schütt, C. Stähler, P. Lentes, F. Röhricht, R. Höppner, R. Herges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.6b05846)
