Forskere bruger lys til at kontrollere højhastighedskemiske reaktioner på en ny måde

Mange naturlige og syntetiske kemiske systemer reagerer og ændrer deres egenskaber i nærvær af visse former for lys. Disse reaktioner kan forekomme for hurtigt til, at almindelige instrumenter kan se. For første gang, forskere vedtog en ny teknik til at observere højhastighedsreaktionerne. En særlig form for reaktion observeret med denne metode kan føre til ny optisk nanoteknologi.

I kemi, molekyler kan manipuleres på forskellige måder til at producere forskellige ting. Isomerisering, for eksempel, er en proces, der ændrer arrangementet af et molekyle, men efterlader atomerne som de er. Processen findes i naturlige systemer såsom øjets nethinde, og kunstige systemer som visse former for kemisk syntese. I mange tilfælde gør isomerisering i det væsentlige en bestemt region af molekyler til enten mere eller mindre ordnet.

Fotoisomerisering er en type isomerisering, der aktiveres af lys, og den foregår hurtigere end et øjenblink. Professor Takashi Kato fra Institut for Kemi og kolleger udsatte flydende krystalmolekyler af den kemiske forbindelse azobenzen for specifikke frekvenser af UV-lys. Fotoisomeriseringen af ​​et enkelt azobenzenmolekyle sker typisk på en tidsskala på hundredvis af femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund). Det er omkring en milliardtedel til en billiontedel af den tid, det typisk tager dig at blinke! Forskerne fandt ud af, at molekylet derefter udløser molekylære interaktioner i flydende krystaller på tidsskalaer på hundredvis af picosekunder (billiontedele af et sekund).

"Vi har vist, hvordan man ændrer formen på azobenzenmolekyler fra en lige stavform til en let bøjet form i en proces, der udløses af fotobestråling af UV-lys. Denne bøjning kunne oversættes til en eller anden mekanisk eller elektronisk funktion, " sagde Kato. "Reaktionen forplanter sig gennem nabomolekyler i prøven, hvilket betyder, at det er en ekstremt effektiv proces."

Denne reaktion foregår ikke isoleret, imidlertid; det forekommer i en prøve af blødt stof, hvis funktion afhænger af molekylerne og deres adfærd. I dette tilfælde, blødt stof kan betyde alt fra en kunstig muskel til fleksible fotografiske sensorer eller endda ting, man endnu ikke har forestillet sig. Den vigtige kendsgerning er, at den indledende reaktion, som typisk kun tager hundreder af femtosekunder, initierer en reaktion i det omgivende bløde stof på omkring hundrede picosekunder, og gør det effektivt.

"Dette er den hurtigste intermolekylære bevægelse, der nogensinde er observeret inden for blødt stof. Faktisk var det, vi ønskede at observere, så hurtigt, at vi var nødt til at bruge nogle meget specialiserede metoder til at erhverve data og visualisere, hvad der fandt sted i disse minimale tidsrammer, " fortsatte Kato. "Dette ville ikke have været muligt uden nogle unikke håndlavede spektralinstrumenter lavet af min kollega lektor Masaki Hada fra University of Tsukuba."

Metoderne er kendt som ultrahurtig transient transmissionsspektroskopi, som er en nøjagtig måde at registrere sammensætningen af ​​en molekylær prøve, og ultrahurtig tidsopløst elektrondiffraktion, hvilket er analogt med et røntgenbillede og er hvordan billeder af reaktionen blev observeret. Bemærk, at begge metoder kaldes "ultrahurtig, "hvilket blot viser, at andre metoder ville have været utilstrækkelige til at fange data med den tidsopløsning, forskerne ønskede.

"Jeg har arbejdet på bestilte molekylære samlinger såsom selvsamlende systemer i mere end 35 år som kemiker, siden jeg var kandidatstuderende. Denne forskning fremmer den grundlæggende kemi af fotoresponsive molekyler i blødt stof såvel som deres ultrahurtige fotomekaniske anvendelser, " konkluderede Kato. "Det er et sandt privilegium for mig selv og mine kolleger at arbejde på denne form for projekt. Vi håber, at dette kan bidrage til designet af molekylærbaserede materialer såsom bløde kropsmekanismer og fotofunktionelle materialer."