Ny strukturel faseovergang kan udvide anvendeligheden af ​​foto-responsive faste stoffer

Et team af forskere fra Waseda University i Tokyo og Rigaku Corporation har opdaget en ny type organisk krystal strukturel faseovergang kaldet den foto-udløste faseovergang. Hideko Koshima, en gæsteprofessor ved Waseda's Research Organization for Nano &Life Innovation og førende forfatter af undersøgelsen, siger, "Faseovergangsmekanismer er meget brugt i hukommelsen, kontakt, og aktiveringsmaterialer, og vi mener, at denne opdagelse af en ny faseovergang har potentiale for både grundlæggende videnskab og anvendelsesområder."

Deres undersøgelse blev offentliggjort i Kommunikationskemi den 20. februar, 2019.

Induceret af eksterne stimuli såsom temperatur, tryk, elektromagnetiske felter og lys, en strukturel faseovergang er et fænomen, der ændrer de fysiske egenskaber og funktioner af faststofmaterialer. For eksempel, formhukommelseslegeringer, som har applikationer i robotteknologi og i bilindustrien, luftfarts- og biomedicinske industrier, genvinde deres form ved opvarmning på grund af martensitiske overgange. I de seneste år, organiske krystaller er blevet betragtet som kandidater som materialer til næste generations aktuatorer på grund af deres blødhed og lette vægt.

Forud for denne undersøgelse, holdet rapporterede om en mekanisk krystal, der bøjes ved eksponering for lys, samt en robotkrystal, som 'går og ruller', når den opvarmes og afkøles. Aktiveringen af ​​disse krystaller kan henholdsvis forklares ved en fotokrom reaktion, kendt som fotoisomerisering, og strukturel faseovergang. For at diversificere bevægelserne af sådanne krystaller, forskere har ledt efter organiske krystaller, der udviser begge fænomener.

At finde sådanne krystaller er ingen let opgave, kræver forsøg og fejl. Imidlertid, da holdet studerede den fotokrome chirale salicylidenaminkrystal, ikke kun fandt de ud af, at det udviser begge fænomener, men opdagede også den nye strukturelle faseovergang. "Vi faldt ved et uheld over den foto-udløste faseovergang af den fotokrome chirale salicylidenamin krystal, som udviser en termisk faseovergang, der er reversibel ved opvarmning og afkøling, " forklarer professor Koshima. "Når man bestråler denne krystal med ultraviolet lys ved -50 grader C, en temperatur lavere end dens termiske overgangstemperatur (40 grader C), Vi fandt ud af en røntgenkrystallografisk analyse, at krystallen undergår transformation identisk med den for en termisk faseovergang."

Holdet lærte også, at den foto-udløste faseovergang opstår på grund af stammen af ​​molekyler produceret ved fotoisomerisering, og Koshima tilføjer, at den foto-udløste faseovergang adskiller sig fra en foto-induceret faseovergang, som er udkommet i andre publikationer. "Krystalfasen på grund af den foto-inducerede faseovergang vises kun ved lysbestråling, som ændrer krystallernes elektriske og/eller magnetiske egenskaber inden for femto- eller picosekunder. I den foto-udløste faseovergang, krystalfasen udløst af lys er identisk med den via termisk faseovergang, fremkaldt af opvarmning, men unik med hensyn til dens molekylære konformation, " hun siger.

Fordi den foto-triggede faseovergang er induceret af lysbestråling og ikke kræver opvarmning og afkøling for at den strukturelle faseovergang kan forekomme, holdets resultater kan "føre til en ny strategi for at udvide anvendeligheden af ​​fotoresponsive faste stoffer" og bidrage til forskning og udvikling af næste generations sansning, skifte, hukommelse, og aktuatorer, der muliggør fjernbetjening og/eller lokal betjening med lys.

Holdet planlægger nu at måle og kvantitativt evaluere størrelsen af ​​krystallens belastning forårsaget af fotoisomerisering, systematisk undersøge om den foto-triggede faseovergang sker i andre krystaller ved hjælp af materialeinformatik, og præcisere dens betingelser.