Forskere designer tunable, selvgenoprettede farvestoffer til brug i næste generations smarte enheder

Byggestenene i rationelt designede kemikalier er simple elementer:kulstof, brint, ilt og så videre. Disse elementer kan kombineres på utallige måder for at opnå en række kemikalier med forskellige egenskaber. Selv det samme kemikalie kan behandles forskelligt - med tryk eller varme, for eksempel - for at vise drastisk forskellige egenskaber. En enklere version er at tænke på, hvordan vand kan koges for at koge pasta eller fryses til is - den samme ingrediens kan laves i to forskellige tilstande via temperaturbehandling.

Nu, forskere arbejder på bedre at kontrollere, hvordan kemikalierne reagerer på behandlingen, samt hvordan man vender kemikalierne tilbage til deres oprindelige tilstand med lidt eller ingen interferens. En sådan kontrol ville gøre det muligt for videnskabsmænd at forberede sansningssystemerne for miljøstimuli, samt løbende gentage sansningen.

Et team af forskere ved Yokohama National University har opnået sådanne resultater med en specifik forbindelse, der kan udsende lys og har potentielle anvendelser i den næste generation af smarte enheder, såsom bærbare enheder og malerier til bekæmpelse af forfalskning. De offentliggjorde deres resultater online den 12. september, forud for print i Kemisk kommunikation .

Forbindelsen er et derivat af thiophen, som er et farvestof med mekanokrome luminescensegenskaber - det skifter farve under fysisk forandring. Det begynder at udsende en violet glød under bestråling af UV-lys, men da den udsættes for mekaniske stimuli, såsom slibning, det violette skær skifter lidt til blåt. Et andet eksternt indgreb kan få forbindelsen til at hele og blive violet igen.

"Mekanokromisk luminescerende (MCL) farvestoffer har for nylig tiltrukket sig betydelig interesse på grund af deres potentielle anvendelser, " sagde Suguru Ito, papirforfatter og lektor i afdelingen for kemi og biovidenskab på Graduate School of Engineering Science ved Yokohama National University. "Imidlertid, det er stadig meget svært at rationelt designe MCL-farvestoffer med ønskede egenskaber."

I dette studie, imidlertid, forskere opdagede, at ved at tilføje et andet kemikalie kaldet DMQA, farvestoffet ændrede sig til orange under mekaniske stimuli. Farvestoffet behøvede heller ikke flere ydre stimuli for at vende tilbage til violet.

"Vi kombinerede to slags rationelle designretningslinjer for justering af de luminescerende egenskaber, resulterer i de ønskede – og hidtil usete – egenskaber med høj kontrast, selvgenoprettende farvestoffer, " sagde Ito.

Den første rationelle designretningslinje er, at farvestoffets genvindingsadfærd kan tilskrives længden af ​​alkylgruppen i forbindelsen - en længere kæde af carbonatomer med hydrogener i farvestoffet gør det muligt for farvestoffet at omkrystallisere og hele i tide. Den anden er, at ved at blande med DMQA, farveområdet mellem den oprindelige tilstand og grundtilstanden er meget forskellig.

"Det næste skridt er at etablere en rationel designretningslinje for at kontrollere farvestoffets reaktion på mekaniske stimuli, " sagde Ito. "Mit ultimative mål er at udvikle et innovativt trykfølende system ved rationelt at skabe et materiale, der kan ændre sin emissionsfarve i trin som reaktion på mekaniske stimuli af forskellig intensitet."

Med en sådan kontrol, Ito kunne bruge mekaniske stimuli til præcist at inducere en specifik og tilsigtet respons. Et lille tryk kunne flytte den violette glød til blå, lidt mere tryk skubber gløden tættere på rødt. Et system med en sådan evne ville give mulighed for trinvise ændringer og genopretninger af stimulus, som kunne være yderst gavnlige i den næste generation af smarte materialer, ifølge Ito.