Winzige grüne Farbstoffe für Biologie und Optik

Forschende der HTW Dresden und ihre Partner aus Erlangen, Dresden und Abu Dhabi entwickelten eine neue Klasse extrem kleiner Leuchtfarbstoffe. Diese Moleküle basieren auf einem einzelnen Benzolring, sind lösungsmittelfrei herstellbar und leuchten sowohl in Flüssigkeiten als auch in Kristallen sehr hell. Ihre besonderen Eigenschaften umfassen die Fähigkeit zur gezielten Lichtleitung in Kristallen, ein Nachleuchten nach der Anregung und das effiziente Anfärben lebender Pflanzenzellen.

„Unsere Farbstoffe sind so etwas wie die Tiny Houses unter den Leuchtmolekülen: extrem kompakt, ressourcensparend gebaut und trotzdem erstaunlich leistungsfähig“, sagt Prof. Stefan Schramm von der HTW Dresden.

Starke Leuchtkraft und ressourcensparend in der Herstellung

Das Forschungsteam präsentiert eine Serie neuartiger Farbstoffe, deren Kernstück jeweils ein einzelner Benzolring bildet. Durch die gezielte Auswahl einfacher Amin-Bausteine kann die emittierte Lichtfarbe präzise vom satten Grün bis ins Orange verschoben werden. Diese Substanzen zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Effizienz aus, indem sie in Lösung und in Kunststofffilmen bis zu rund 85 Prozent des aufgenommenen Lichts wieder abgeben. Auch in ihrer kristallinen Form bleiben sie ausgesprochen hell. Einzelne Kristalle wachsen als lange, nadelförmige „Lichtfasern“ heran und eignen sich somit hervorragend als winzige Lichtleiter. Eine weitere Besonderheit ist das sichtbare Nachleuchten bei Raumtemperatur, das sie in speziellen Wirtsmaterialien zeigen. Darüber hinaus sind die Farbstoffe biologisch anwendbar: Sie färben lebende Zellen in den Wurzeln der Modellpflanze Arabidopsis thaliana selektiv an und ermöglichen so die Sichtbarmachung feiner Strukturen unter dem Mikroskop.

Die Herstellung der neuen Leuchtstoffe ist bemerkenswert unkompliziert und erfolgt in nur einem einzigen Reaktionsschritt: Ein industriell leicht verfügbarer Vorläufer wird direkt mit einem Überschuss des benötigten Amins zur Reaktion gebracht, wobei das Amin gleichzeitig als Reaktionsmedium fungiert. Dieser Prozess zeichnet sich durch seine Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit aus, da keine zusätzlichen Lösungsmittel, keine teuren Katalysatoren und keine aufwendigen Aufreinigungsschritte notwendig sind. Mit einer Herstellungsrate von bis zu 99 Prozent ist die Synthese zudem extrem effizient. „Wir zeigen, dass sich moderne Leuchtstoffe auch nach Prinzipien der Grünen Chemie herstellen lassen – mit weniger Abfall, geringerem Energieverbrauch und einfachen, gut verfügbaren Bausteinen“, erklärt Schramm.

Verschiedene Anwendungsmöglichkeiten

Die neuen Farbstoffe sind durch ihre minimale Größe, nachhaltige Herstellung und vielseitigen Eigenschaften außergewöhnlich. Sie leuchten hell in jeder Form – ob in Lösung, in Kunststoff, als Kristall oder in Hybridmaterialien mit Nachleuchtfunktion. Die Kristalle agieren als effiziente Lichtleiter über mehrere Zentimeter. Dies eröffnet Anwendungen in Mikro-Lichtleitern für Sensoren, VR/AR-Technologie, Sicherheitsmerkmale und flache Anzeigen. Gleichzeitig dienen die Farbstoffe als fluoreszente Färbemittel für lebende Pflanzenwurzeln, was langfristig die Forschung zur Nährstoffaufnahme und Stressreaktion in Kulturpflanzen unterstützen kann.

„Wir schlagen eine Brücke zwischen nachhaltiger Chemie, neuer optischer Anwendung und biologischer Bildgebung“, so Prof. Verena Ibl von der HTW Dresden. „Solche neuen hocheffizienten Farbstoffe können uns helfen, Nutzpflanzen besser zu verstehen – ein Thema, das mit Blick auf Ernährungssicherheit und Klimawandel immer wichtiger wird.“

Quelle

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (11/2025)