Licht ins Dunkel bringen: Die Chemie der Leuchtstoffe
Ein Beitrag von Jana Maier
An der Heinrich-Heine-Universität untersuchen die Mitglieder des Graduiertenkollegs ModISC verschiedene Aspekte der „Chemie mit Licht“. Zusammen mit Jun.-Prof. Dr. Markus Suta von der Arbeitsgruppe „Anorganische Photoaktive Materialien“ demonstrierten die Promovierenden des Graduiertenkollegs die Eigenschaften von Leuchtstoffen und bauten eine selbstgemachte Leuchtdiode.
Im Rahmen der anstehenden „Nacht der Wissenschaft 2024“ am 13. September hatten wir die Möglichkeit, einen Blick hinter die Labortüren zu werfen und mehr über die Forschung der Chemiker:innen der Heinrich-Heine-Universität zu erfahren.
Die selbstgemachte Leuchtdiode
Beim Betreten des Labors fällt sofort die Vielzahl an Apparaturen und Geräten auf, die den Raum ausfüllen: Kolben, Spatel, eine Heizplatte und viele andere chemische Werkzeuge sind sorgfältig angeordnet und einsatzbereit. Besonders auffällig sind die strengen Sicherheitsvorkehrungen – alle Forschenden tragen weiße Kittel und Schutzbrillen, um sich vor möglichen Gefahren zu schützen.
Aber wozu das Ganze? Alles steht bereit, um ein Experiment durchzuführen. Es soll eine funktionierende Leuchtdiode aus einer kleinen Plastikfolie und einigen Chemikalien hergestellt werden.
Zunächst wird die Plastikfolie auf einem Papierhandtuch befestigt und mit einem Isolierlack besprüht. Danach wird eine dünne Schicht eines weißen Luminophors auf einem abgegrenzten Teil der Folie verteilt. „Luminophor“ ist ein anderer Begriff für einen Leuchtstoff. Die Folie wird dann für 6 Minuten unter eine UV-Lampe gelegt, bis sie trocken ist.
Anschließend wird ein schwarzer Stoff mit dem Namen PEDOT:PSS auf der Folie verteilt. Die Folie muss dann wieder trocknen, aber dieses Mal wird sie unter einen handelsüblichen Föhn gelegt. Wenn dann alles trocken ist, wird mit einem Silberleitlack zwei Punkte auf die Folie aufgetragen. Ein Punkt auf der Chemikalien-Schicht und der andere auf dem bloßen Plastik. An den Silberleitlack werden dann zwei Klemmen befestigt und diese an eine Stromquelle angeschlossen. Die Folie beginnt in einem Blauton zu leuchten. Dieses Experiment stellt in einer vereinfachten Form dar, wie Bildschirme, bei z. B. Smartphones, funktionieren.
Begleitet wurde das Experiment von den Doktorand:innen des Graduiertenkollegs, die jeden Schritt genau erklärt haben.
Unsichtbare Helfer im Alltag
Licht im Zusammenhang mit Chemie begegnet uns in vielen Bereichen des Alltags, oft, ohne dass wir es bewusst wahrnehmen. Dr. Markus Suta, Juniorprofessor für anorganische Chemie an der Heinrich-Heine-Universität, erklärte, dass sowohl klassische Weißlichtlampen als auch Geräte wie Laptops und Smartphones auf unterschiedlichen Leuchtstofftechnologien basieren. In herkömmlichen Innenraumbeleuchtungen werden vornehmlich phosphor-konvertierte LEDs verwendet, die mit anorganischen keramischen Leuchtstoffen arbeiten. Bei Laptops, Smartphones oder Flachbildschirmen hingegen, werden typischerweise organischen LEDs (OLEDs) benutzt.
Die große Problematik der Nachhaltigkeit
In der Forschung von Dr. Markus Suta spielt die Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle. Viele Anwendungen, die anorganische Leuchtstoffe benutzen, beinhalten sogenannte „Seltene Erden“. Dabei ist der Begriff „Seltene Erden“ erst einmal irreführend. Denn es handelt sich nicht um „Erden“ bei den Stoffen, sondern um Metalle. Diese Metalle sind eigentlich auch nicht selten. Sie kommen in der Erdkruste häufiger vor als so manche andere Metalle, wie Chrom oder Kupfer. Jedoch findet man die Seltenen Erden sehr selten oder gar nicht in hohen Konzentrationen in der Erdkruste. Darunter zählt auch das Metall Europium. Europium und andere Seltene Erden sind nur an wenigen großen Lagerstätten in der Welt zu finden und müssen dort sehr aufwendig gewonnen werden. Ein Großteil dieser Metalle auf dem globalen Weltmarkt wird von China exportiert. Dadurch ist Deutschland bei der Herstellung von Smartphones und Autos von China wirtschaftlich abhängig. Aber nicht nur die wirtschaftliche Abhängigkeit stellt ein Problem dar, sondern auch die umweltschädliche Gewinnung. Während des Abbaus und der Reinigung der Seltenen Erden wird viel Strom und Wasser verbraucht und es werden giftige Gase freigesetzt, was eine große Umweltbelastung zur Folge hat.
Die Arbeitsgruppe um Markus Suta sucht nach Alternativen, indem sie an einem besseren Verständnis für anorganische Leuchtstoffe forscht, die auch ohne Seltene Erden auskommen.