Wie leuchtende Tiere den Aufbau von OLEDs verändern könnten

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Wie kann ein Glühwürmchen ein OLED-Display zum Leuchten bringen? Mit dieser Frage beschäftigt sich ein Forschungsteam rund um Stefan Schramm, Professor für Angewandte Organische Chemie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden. Sein Ziel: umweltschädliche Schwermetallverbindungen in Bildschirmen durch biologisch abbaubare Stoffe ersetzen. Zum Einsatz kommen sollen dabei Moleküle, mit denen leuchtende Tiere ihr Licht einschalten.

Das Problem: OLEDs (organic light-emitting diode) enthalten Schwermetallverbindungen, die hochgiftig für die Umwelt sein können, erklärt Schramm. Würden die technischen Geräte, in denen diese eingebaut sind – beispielsweise Smartphones – nicht korrekt recycelt, könnten schädliche Stoffe wie diese ausgewaschen werden und in die Umwelt geraten. Die Natur könne einige Stoffe nicht von selbst abbauen, erklärt Schramm. Stattdessen reicherten sie sich an. "In Asien haben Forschende bereits Moleküle, die mit OLEDs und LCDs in Verbindung gebracht werden, in Fischen und sogar in menschlicher Milch gefunden", sagt Schramm – darunter verschiedene Fluorene, Anthracene und Triazine. Hinzu komme, dass die Herstellung von Metallen wie Iridium oder Platin in der Herstellung viel CO₂ freisetze und viel Wasser benötigt werde, um sie aufzubereiten.

Mehr als 3500 Spezies können selbst Licht erzeugen

"Unser Ziel ist, sogenannte BiOLEMs, also 'Biologisch inspirierte Organische Licht Emittierende Moleküle' zu entwickeln", erklärt Schramm. Diese Moleküle orientieren sich an Systemen, die Tiere und Pflanzen nutzen, die selbst in der Lage sind, zu leuchten. Biolumineszente Lebewesen bräuchten dafür keinen externen Impuls, sondern leuchteten durch eine chemische Reaktion. "Das sind etwa Leuchtalgen, Glühwürmchen oder auch Quallen", erklärte der Chemiker.

Mehr als 3500 Spezies seien in der Lage, selbst Licht zu produzieren. Interessant dabei: Die Natur hat sich diese Raffinesse an verschiedenen Orten ausgedacht: "Das nennt sich konvergente Evolution", sagt Schramm. Heißt: Unterschiedliche Ausgangspunkte führen ohne Zusammenhang miteinander zum gleichen Ergebnis. Die Fähigkeit zur Biolumineszenz habe sich über 50 Mal unabhängig voneinander entwickelt. Doch wie hilft nun das Können von Glühwürmchen, Quallen oder Schnecken, um ein Display zum Leuchten zu bringen?

Das Team um Schramm konzentriert sich vor allem auf Glühwürmchen. Der Vorteil: Über diese Leuchtkäfer gebe es schon einen größeren Wissensschatz. "Die Glühwürmchen waren eins der ersten Systeme, die in den 1950/1960er-Jahren untersucht wurden", sagt Schramm. Es gebe international zahlreiche Studien, die sich mit dem Leuchten von Molekülen in Glühwürmchen beschäftigten. Dadurch sei es bereits länger möglich, die Moleküle chemisch zu verändern, sodass sich beispielsweise die Farbe ändere und organische Anwendungen möglich seien. "Das hat es aber bisher leider nicht zur Marktanwendung geschafft", erklärt der Chemiker.

Zusammenspiel der Moleküle ausschlaggebend

Für den Einsatz in OLED-Displays seien zusätzlich zu den chemischen Molekülen auch physikalische Aspekte wichtig. Für viele Anwendungen müssten sich die Moleküle verdampfen oder auf eine Oberfläche aufdrucken lassen. "Wir wollen in der Zukunft auch verstärkt mit Physikern und Ingenieuren zusammenarbeiten, um durch das gezielte Ausnutzen von verschiedenen quantenmechanischen Effekten organische Sensoren und organische Feldeffekttransistoren zu bauen", sagt Schramm. "Nur im Zusammenspiel mit vielen anderen Molekülen in der OLED werden wir am Ende eine Leuchtdiode bauen können, die effizient, langlebig und umweltverträglich leuchtet."

Löse in der Natur eine chemische Reaktion den Leuchteffekt aus, übernehme das im Fall der Displays elektrischer Strom. Der Vorgang nenne sich Elektrolumineszenz. Ob der ausbleibenden Reaktion zersetzten sich die Moleküle nicht, erklärt Schramm. "Die OLED braucht einen Stoff, der leuchtet", sagt der Chemiker. Das ist das lumineszente Molekül. Strom rege das Molekül an und versetze es in einen angeregten Zustand. "In dem Zustand hat es sehr viel Energie", erklärt Schramm. Um wieder in einen entspannten Grundzustand zu gelangen, muss das Molekül die überschüssige Energie abbauen. Das ist der Punkt, an dem es die Energie in Licht umwandelt. "Es kommt auf die Energiedifferenz zwischen dem angeregten und dem entspannten Grundzustand an", so der 33-Jährige.

Verschiedene Farben trotz gleicher Struktur

Dieser Energieunterschied beeinflusst auch die Farbe: Ist er gering, leuchtet das Molekül rot, ist er hoch, wird das Licht blau. "Die Farbe können wir auch durch chemische Manipulation beeinflussen." Das funktioniere etwa über das Stabilisieren oder Destabilisieren bestimmter Gruppen, also chemischer Bestandteile des Moleküls. "Die funktionellen Gruppen bestehen aus Atomen, die wiederum Einfluss auf die elektronische Struktur des Moleküls haben", erläutert Schramm.

Der Chemiker möchte abseits der Anwendungen auch die Mechanismen hinter den verschiedenen Molekülstrukturen der Tiere verstehen. "Leuchtende Krebstierchen nutzen eine ganz andere chemische Struktur als zum Beispiel das Glühwürmchen", sagt Schramm. "Krebstierchen leuchten eher blau, das Glühwürmchen eher grün." Zugleich gebe es Insekten, die die gleiche Struktur nutzten, aber ganz unterschiedlich leuchteten.

Schon viel Wissen über Glühwürmchen vorhanden

Dass Lebewesen selbst Licht erzeugen könnten, reiche bis rund 2,5 Milliarden Jahre vor unserer heutigen Zeit zurück, erklärte Schramm. "Als sich in der Erdatmosphäre erstmalig Sauerstoff gebildet hat, war das ein Problem für die damaligen Organismen, denn der Sauerstoff hat wie ein Zellgift gewirkt." Daher habe die Natur eine Möglichkeit gesucht, den Sauerstoff abzubauen. "Man geht davon aus, dass das Licht eher ein Nebenprodukt der Entgiftung vom Sauerstoff war." Im Laufe der Zeit habe in Folge von Coevolution das Leuchten weitere Funktionen erfüllt, beispielsweise in der Tiefsee Feinde abzuwehren oder aber Paarungspartner anzulocken.

Tiere kommen bei Schramm nicht zum Einsatz. Für den anwendungsorientierten Part greife er auf den Wissensschatz über Glühwürmchen zurück. "Wir kennen die Chemie der Glühwürmchen-Biolumineszenz schon sehr gut und wissen, wie wir die Moleküle vollsynthetisch herstellen."

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Zudem seien Glühwürmchen das System, das nach bisherigen Erkenntnissen am effizientesten leuchte. Die Helligkeit eines Moleküls beziffere sich in der sogenannten Quantenausbeute, erklärt Schramm. Diese beschreibe, wie viel Prozent der Moleküle in einer Biolumineszenzreaktion schließlich auch leuchteten. Bei Glühwürmchen liege diese bei 42 Prozent. "Da ist man etwa in dem Bereich, den man auch mit modernen anorganischen LEDs erreichen kann", sagt der Wissenschaftler. Die elektrisch angeregte Lumineszenz von OLEDs liege im Idealfall bei 10 bis 30 Prozent. Die Leuchtkäfer leuchteten damit bereits effizienter als OLEDs. "Genau dies versuchen wir zu übertragen, um damit in der Zukunft effizientere OLEDs zu bauen", unterstreicht Schramm.

Moleküle sollen in ca. fünf Jahren einsatzfähig sein

Bis ein solches System schließlich zur Anwendung komme, dauere es aber noch einige Jahre, die Forschung zu BiOLEMs stecke noch in den Kinderschuhen. "Bevor wir eine OLED mit den Molekülen bauen können, müssen wir die Moleküle erst einmal maßschneidern und herstellen", ordnet Schramm ein. Derzeit sei sein Team auf der Suche nach einer öffentlichen Förderung. "Darauf aufbauend werden wir ein Forschungsprojekt durchführen, an dessen Ende wir dann mit einem Horizont von etwa vier bis fünf Jahren geeignete Moleküle haben, mit denen wir dann auch OLEDs bauen können."

Übrigens: Ein biolumineszentes Tier ist auch zum "Weichtier des Jahres 2024" gewählt worden: Die Landschnecke Phuphania crossei, die in Thailand beheimatet ist, strahlt wie ein lebender Leuchtstab fortwährend ein grünliches Licht aus. Menschen können das Leuchten schon bei Tageslicht sehen. Besonderer Kniff: Die Schnecke kann das Leuchten teilweise abschalten.

(are)