Light Actuation: from synthesis to material

Abstract

Diese Dissertation erforscht die innovative Manipulation und Anwendung von auf Azobenzol basierenden Materialien, mit besonderem Schwerpunkt auf deren Funktionalisierung für optische Datenspeicherung und die Entwicklung von responsiven flüssigkristallinen Polymeren (LCP). Obwohl Azobenzole schon lange als vielleicht am besten geeignete Fotoschalter für Anwendungen erkannt wurden, aufgrund ihrer hohen Fotostabilität und thermischen Stabilität, ist für eine signifikante Rolle immer eine maßgeschneiderte Funktionalisierung notwendig, um spezifischen Anwendungen gerecht zu werden. Kreuzkupplungsreaktionen werden als effektive Strategie für späte Modifikationen von Azobenzol und seinen Derivaten vorgestellt, die Einblicke in jüngste Fortschritte in diesem Bereich bieten. Der aktuelle Wissensstand dazu wird in Kapitel 2.1 zusammengefasst. Als originärer Forschungsbeitrag in diesem Feld wird in dieser Dissertation eine neue, hoch ergiebige palladiumkatalysierte Methode für die selektive Funktionalisierung von Azobenzol vorgestellt, die aufgrund der effizienten Einführung von N-Hydroxysuccinimidestern erhebliches Potenzial in biologischen Systemen und der Materialwissenschaft zeigt. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf Anwendungen und behandelt die Frage, wie Azobenzole spezifisch funktionalisiert werden können, um ausgewählte Ziele zu erreichen. Das erste Projekt in dieser Hinsicht hatte das Ziel, hohe Halbwertszeiten für ein Azobenzol zu erreichen, mit Blick auf Anwendungen in der optischen Datenspeicherung. Ein rationales Design führte zu einem einzigartig stabilen makrozyklischen Azobenzol-Derivat, das eine außergewöhnliche thermische Stabilität seines metastabilen Z-Isomers (120 Jahre) aufweist, während es immer noch mit sichtbarem Licht schaltbar ist. Diese Stabilität wird einer strategischen Fluorierung zugeschrieben. Das zweite Projekt führte zur Lösung des Problems bei der Herstellung eines fotobiegbaren Polymerfilms, der mit sichtbarem statt UV-Licht geschaltet werden konnte. Die Entwicklung solcher flüssigkristallinen Netzwerke (LCNs) wird diskutiert. In diesem Prozess konnte durch molekulares Design die Flüssigkristallinität eines ortho-fluorierten Azobenzols, bekannt für seine Schaltfähigkeiten im sichtbaren Licht, entworfen werden, obwohl dies in der Literatur als nicht möglich angesehen wurde. Dieser Durchbruch adressiert die Einschränkungen an, die durch die schädlichen Effekte von UV-Licht auferlegt werden, und bietet eine skalierbare Lösung für die Synthese polymerisierbarer Azobenzolverbindungen mit potenziellen Anwendungen in der weichen Robotik und Biologie. Das dritte Projekt war die Einführung einer innovativen Technik zur Herstellung fortschrittlicher weicher Formgedächtnismaterialien. Durch die Integration von Azobenzol in Hauptkettenflüssigkristalline Elastomere (MC-LCEs) und deren Mischung mit thermoplastischen Polycaprolacton (PCL)-Partikeln wurde ein Verbundmaterial entwickelt. Dieses Material reagiert nicht nur auf Lichtstimuli bei großen Proben, sondern weist auch eine bemerkenswerte Dehnbarkeit und hohe Programmierbarkeit auf, was seine Nützlichkeit in verschiedenen Anwendungen aufgrund seiner ausgezeichneten Wiederverwendbarkeit und vielseitigen Aktionsfähigkeiten demonstriert. Diese Dissertation hebt die vielfältigen Anwendungen von Azobenzol-Derivaten bei der Entwicklung anspruchsvoller Materialien für aufkommende Technologien hervor.