Simulation der Moleküldynamik von Molekularen Motoren

Molekulare Rotoren haben das Potential konventionelle elektronische Bauteile zu ersetzen, da ihre Eigenschaften auf molekularer Ebene durch Lichteinfluss beeinflusst werden können. Beim Einsatz molekularer Maschinen wird mechanische Energie mittels Licht erzeugt. Allerdings ist die Umwandlungsrate immer noch sehr klein, hauptsächlich aufgrund von zufälligen Rotationen der Moleküle. Um die Effizienz zu erhöhen braucht es eine unidirektionale Rotation und ein tiefgehendes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen. Dieser Antrag dient der Untersuchung der bisher unbekannten Rotationsprozesse in ausgewählten molekularen Motoren, in Lösung als auch an Metalloberflächen behaftet, mittels aktueller Methoden der Theoretischen Chemie. Die Ergebnisse sollen als Leitfäden zur Synthese effizienterer molekularer Motoren dienen.

In diesem Projekt wurden molekulardynamische Simulationen durchgeführt, um molekulare Motoren zu untersuchen. Diese haben aufgrund ihrer modifizierbaren Eigenschaften in Bezug auf die Umwandlung von Licht und Wärme in mechanische Bewegungen zahlreiche potentielle Anwendungen in elektronischen Geräten. Die molekularen Motoren können dabei zwei Prozesse durchlaufen, welche Licht und Wärme aus der Umgebung benötigen, um die Motoren in unidirektionale Rotation zu versetzen. Jedoch bestehen noch Herausforderungen, die Effizienz zu erhöhen, die unter geringen photonischen Quantenausbeuten und langsamen thermischen Reaktionen leiden. Wir haben verschiedene Theoriestufen für die Simulation entwickelt, um diese beiden Prozesse simulieren zu können. Dies soll dem besseren Verständnis der Rolle des Lösungsmittels während der unidirektionalen Rotation molekularer Motoren dienen. Zunächst findet der Photo-Isomerisationsschritt statt, in dem das Elektron vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurückfällt. Dieser Schritt dauert etwa eine Pikosekunde lang, was einem Millionstel eines Millionstels einer Sekunde entspricht. Die Reaktionsrate dieser Photo-Reaktion wurde durch theoretische Simulationen bestimmt und entspricht den experimentellen Beobachtungen. Wir haben auch zeitaufgelöste Spektra simuliert, welche zeigen, dass das Elektron in den ersten 0.2 Pikosekunden seine Energie schnell abgibt, gefolgt von der Formung eines "dunklen Zustandes", bevor sich der Motor innerhalb einer Pikosekunde in den Grundzustand entspannt. Aus der Orientierungsanalyse des Lösemittels konnte herausgefunden werden, dass das Lösemittel weder Verteilung noch Orientierung in der Umgebung des molekularen Motors verändert hat, was auf die niedrige Polarisierbarkeit des molekularen Motors und die schwachen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Motor und Lösemittel zurückzuführen ist. Im weiteren Verlauf wurde der thermische Schritt während der Rotation des molekularen Motors durch die Berechnung der Reaktionsbarriere untersucht. Einige molekulare Motoren mit unterschiedlichen Dipolen wurden für diese Simulationen ausgewählt. Reaktionsbarrieren wurden in der Gasphase mit einer hochauflösenden Methode berechnet, während eine Methode mit moderatem Detaillevel für die Berechnungen des thermischen Reaktionspfades bei Anwesenheit eines Lösemittels verwendet wurde. Beide Theorien deuten darauf hin, dass Lösemittel einen größeren Einfluss auf molekulare Motoren mit größeren Dipolen ausüben. Zusammengefasst geben unsere Untersuchungen weitere Anhaltspunkte über die photonischen und thermischen Schritte in der Funktionsweise molekularer Motoren. Insbesondere zielen wir auf die Beschleunigung der Rotation ab, welche vielversprechend für die Verwendung molekularer Motoren in elektronischen Geräten ist.