Wurzeln und Bedeutung der Photochemie

Das Jahr 2015 wurde von der UNESCO zum „Year of Light and Light-Based Technologies“ erklärt.

Haben wir als Chemiker gute Gründe, dies mitzufeiern?

Dazu zwei Gedanken: Die Entwicklung der Teflonpfanne als ein Resultat des Raumfahrtprogramms der NASA in den sechziger Jahren ist lediglich ein schönes Wissenschaftsmärchen. Zwischen der raschen Entwicklung der LED-Technologie in den letzten Jahren und der Glühbirnenverordnung 244/2009 der EU gibt es hingegen einen logischen Zusammenhang, und dieser hat unsere beleuchtete Umwelt rapide verändert. Ohne die dazu benötigte Chemie wäre eine solche Entwicklung aber gar nicht möglich gewesen. Der im letzten Jahr verliehene Physik-Nobelpreis für die Entwicklung von LED-Leuchtstoffen zeigt beispielhaft die benötigte enge Verzahnung zwischen Chemie und Physik, Molekular- und Materialwissenschaften. Und der Chemie-Nobelpreis 2014 zeigt ebenso, dass auch die spannendsten lichtbasierten Technologien geeignete chemische Verbindungen brauchen.
 
Man sollte sich bei dieser Gelegenheit aber einmal vor Augen führen, was schon seit langer Zeit erforscht ist: 1880 erhielt Edison sein Glühlampenpatent, 1901 wurde die erste Quecksilberdampflampe entwickelt (viel später einmal zwischenzeitig als Energiesparlampe propagiert), und bereits 1962 leuchtete die erste LED der Firma General Electric. Dies zum Thema „rasche“ Innovationsumsetzung.

Sehr aktuell erscheint uns aber die Erkenntnis der Endlichkeit fossiler Brennstoffe, nach einem Intermezzo der Atomenergie, und damit verbunden der Ruf nach nachhaltigen und regenerativen Energien wie der solaren Energie. Der italienische Chemiker Giacomo Luigi Ciamician hat allerdings bereits im Jahre 1912 einen Vortrag beim 8. Internationalen Kongress für Angewandte Chemie in New York gehalten (veröffentlicht in der Zeitschrift Science (1912, 36, 385-394) unter dem Titel „The Photochemistry of the Future“). 1912 erscheint vielen von uns als sehr weit entfernt, eine Zeit mit noch wenig globalen Erkenntnissen und wenig ausgeprägter Mobilität von Studierenden und Wissenschaftlern. Das Gegenteil war der Fall! Ciamician war Italiener, hat in Wien studiert und in Giessen mit 23 Jahren promoviert. Welch eine europäische Karriere und in welchem Alter, zudem ohne deutsches G8 oder Bologna-Reform! Von 1889 bis zu seinem Tode im Jahr 1922 war er an der Universität Bologna eine bestimmende Figur der europäischen Photochemie. Ciamician wird heute als ein Gründungsvater der synthetischen Photochemie, der solaren Photochemie und auch der „grünen Chemie“ betrachtet.

In seinem legendären Vortrag beklagte er bereits 1912 die Kurzsichtigkeit der auf Kohle als einziger Energiequelle fixierten Gesellschaft. Von Erdöl und Erdgas war damals allerdings noch nicht die Rede, und dass diese fossilen Ressourcen in der Folgezeit hinzukamen, hat eher zur Kurzsichtigkeit der auf Verbrauch und Wachstum fixierten Menschheit beigetragen und Ciamicians Anmerkungen relativiert. Er schreibt: „Is fossil solar energy the only that may be used in modern life and civilization?“. Und mehr: Er propargiert ein ausgeprägtes CO2-Managment: „The carbon dioxide, resulting from the combustion, should not be wasted but returned to the fields”. Seine gut begründete Forderung war, dass photochemische Prozesse stärker in der chemischen Industrie eingesetzt werden sollten. Davon sind wir heute immer noch weit entfernt. Ein wesentliches Problem wurde von ihm aber bereits erkannt: die schwer kontrollierbaren zahlreichen Prozesse, die nach Absorption energiereicher Strahlung ausgelöst werden können. Hierzu schreibt er: „It is important to find suitable sensitizers and catalyzers“. Nichts anders wird momentan in der aktuellen Photoredoxkatalyse gemacht.

Photochrome Materialien, lichtgesteuerte Schalter und Trigger? Ciamician schreibt dazu: „Phototropic substances, which often assume very intense colors in the light, and afterwards return in the darkness to their primitive color, might be used very effectively”. Seine Prognose war allerdings, dass sich diese Effekte für die Kleidermode einsetzen lassen: “The dress of a lady, so prepared, would change its color according to the intensity of the light”. Davon sind wir noch etwas entfernt, aber jeder Verkaufstrick wird sicher einmal realisiert.

<br />G. Ciamician und P. Silber auf den Dächern seines Institutes in Bologna (Raccolta di immagini d'epoca del Dipartimento di Chimica "G. Ciamician" dell'Università degli Studi di Bologna)

Die Photochemie im 21. Jahrhundert lebt von einer intensiven Verbindung zwischen Chemie und Physik, Synthese und Spektroskopie, Materialwissenschaften und Analytik. Diese Vernetzung ist für die Fachgruppe Photochemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) Programm. Diese Fachgruppe wurde 1971 in Karlsruhe gegründet, also zu einer Zeit, in der der Photochemie eine zentrale Zukunftsrolle in der Chemie zugetraut wurde und Photochemiker an viele Universitäten berufen wurden. Das zu dieser Zeit zunehmende Verständnis von Reaktionsmechanismen komplexer chemischer Reaktionen mit den Methoden der Quantenchemie erleichtert die Entwicklung selektiver und effizienter photochemischer Prozesse. Und die Erkenntnis der Endlichkeit „fossiler solarer Energie“, 100 Jahre nach Ciamician, ist ein lohnenswerter Antrieb für intensive Forschung auf dem Gebiet der Photochemie. Unser Verständnis der komplexen Zusammenhänge der natürlichen Photosynthese, mit ca. 1010 Jahrestonnen der seit Jahrmillionen verlaufende erfolgreichste chemische Prozess, erlaubt die Entwicklung künstlicher Photosysteme zur Wasserspaltung und zur Herstellung von solarem Wasserstoff. Viele weitere Beispiele sind in den folgenden Beiträgen der Aktuellen Wochenschau zusammengestellt.

<br />Einige Anwendungsgebiete für solare Energie und technische Photochemie.

Literatur


G. L. Ciamician, The Photochemistry of the Future, Science, 36, 385-394, (1912).