Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Prof. Dr. Simone Krees:
Optische Datenspeicher in molekularen Schaltern

Frau Prof. Krees befasste sich in ihrem Vortrag mit dem Thema der optischen Datenspeicher. Als optische Datenspeicher werden auswechselbare Massenspeicher bezeichnet, die durch optische Abtastung (meist mittels Laser) gelesen oder beschrieben werden. Die bekanntesten optischen Speichermedien heute sind die CD-Rom und die DVD. Die Forschungsarbeiten an optischen Datenspeichern haben das Fachgebiet gewechselt. Sahen sie sich früher als Teilgebiet der anorganischen Chemie, so beschäftigt man sich heute mit ihnen vorwiegend im Bereich der organischen Chemie. Sie gehören zum Themenfeld der "Chemie im Alltag" und sind deshalb auch für die Didaktik der Chemie von Interesse, weil sie die Möglichkeiten bieten, junge Menschen für Chemie zu begeistern.

Die Forschung zu optischen Datenspeichern sucht heute nach Datenträgern, die mit molekularen Schaltern mit einem on/off-Modus arbeiten. Die Beschäftigung mit der Entwicklung optischer Datenspeicher kann Schülerinnen und Schülern die Relevanz der aktuellen Forschung in aktuellen Anwendungen zeigen.

Wie erwähnt sind die wichtigsten Datenspeicher heute die CD-Rom, die DVD und die Festplatte. Die historischen Datenspeicher wie Disketten mit einem Speichervolumen von maximal 1,44 MB findet man fast nur noch im Museum. Es gibt kaum noch Computer mit passenden Laufwerken. Das Ziel der gegenwärtigen Speicherentwicklung ist klar: Ein möglichst kleiner Speicher mit hoher Speicherdichte. Mit dem USB-Stick ist man diesem Ziel schon sehr nahe gekommen. Fernziel bei der Miniaturisierung und Speicherdichte bleibt aber, dass ein Atom ein bit speichern kann. Magnetische Speicher sind heute bei immerhin nur noch 12 Atomen pro bit angelangt, der Weg zum 1 Atom/1bit-Speicher ist allerdings noch weit.

Prof. Krees forscht zur Zeit vorwiegend mit einem Spiropyran als molekularem Schalter. Spiropyrane gehören zu den funktionellen Farbstoffen. Der Name bezieht sich darauf, dass sie bestimmte Funktionen erfüllen können. Bei funktionellen Farbstoffen wie Spiropyranen ist dies die reversible Farbänderung bei Bestrahlung mit Licht bestimmter Wellenlänge. Photochrome Farbstoffe können also mit Licht verschiedener Wellenlänge geschaltet werden (on/off). Zur Definition der photochromen und molekularen Schalter zitierte die Referentin G. Brown: "Photocrome is defined as a reversible change of a single chemical species between two directions by the action of electromagnetic radiation”.

In ihrem Vortrag zeigte Prof. Krees ein einfaches und damit für Unterrichtszwecke attraktives Modell eines optischen Speichers.

Als Material für den Bau benötigt man nur Kopierfolie, Gewebeklebeband, Schere, Spatel, Glasstäbe, Becherglas, Laminierfolie und Laminiergerät, Spiropyran als molekularen Schalter, Toluol und Styropor.

Die Herstellung: In einer Spiropyran-Toluol-Lösung werden 3-4 g Styropor gelöst. Es entsteht eine zähflüssige Masse. Die Gasbläschen werden ausgetrieben und die Masse wird mit dem Glasstab über die Kopierfolie gezogen, ausgehärtet, in die Laminierfolie eingelegt und laminiert.

Damit hat man einen leicht herstellbaren optischen Speicher gewonnen. Prof. Krees demonstrierte dies, indem sie mit dem Licht einer LED-Lampe einen Smiley auf der Folie nachzeichnete, der dann von der Folie gespeichert wurde.

Mit Hilfe des molekularen Spiropyran-Merocyanin (eines fluoreszierenden Farbstoffs)-Schalters konnte Krees zeigen, dass auch Codierungen nach dem ASCII-Code auf Folie gespeichert werden können. Zur Demonstration speicherte sie das Wort "FLAD" und die Hausnummer des Instituts auf der Folie.

Ein noch zu lösendes Problem der auf diese Weise erzeugten optischen Speichermedien ist die Langzeitstabilität der so gespeicherten Daten. Dies wurde deutlich, weil man sehen konnte, dass die Farbintensität des gespeicherten Smileys doch in kurzer Zeit deutlich nachließ. Auch die Frage der Formatierung des Datenspeichers, das Schreiben von Informationen in binärer Codierung, die Langzeitspeicherung von Informationen, das Löschen, Überschreiben und Auslesen, die schnelle Schreib- und Lesegeschwindigkeit und die Speicherdichte benötigen noch intensive Forschungsarbeit.

Als Anwendungsmöglichkeiten des Themas für den Unterricht in der Sekundarstufe I bietet sich an, zu untersuchen, dass Licht nicht gleich Licht ist und die Erkenntnis, dass Chemie Licht ist. Für die Sekundarstufe II bieten sich in diesem Zusammenhang die Themenkomplexe "Absorptionsspektren", "Licht als Energieform" und "Photostationäres Gleichgewicht" an.

Dr. Siegfried Kümmerle

Prof. Dr. Simone Krees

Studium der Fächer Chemie und Mathematik für das Lehramt SII/I in Duisburg, Referendariat an einem Krefelder Gymnasium, wissenschaftliche Mitarbeit an der Bergischen Universität Wuppertal und Promotion im AK Prof. Dr. Tausch, Professorin an der Westfälischen Universität Münster. 2009 Manfred und Wolfgang Flad-Preis.