Algoritmer og lasere tæmmer kemisk reaktivitet

Forskere har udviklet en algoritme til fotokemi, bringer det spirende felt et skridt nærmere målet om at bruge forskellige lysfarver som en kontakt til at aktivere en række forskellige kemiske reaktioner i ét enkelt materiale.

Et QUT-forskerhold, bestående af ph.d. studerende Jan Philipp Menzel, Professor Christopher Barner-Kowollik og lektor James Blinco, sammen med Dr. Benjamin Noble fra RMIT, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

I deres undersøgelse, Forudsigelse af bølgelængdeafhængig fotokemisk reaktivitet og selektivitet, forskerne har skitseret et forudsigelsesværktøj, så forskerne kan forudbestemme, hvor meget lys der skal til for at frembringe visse udfald af fotokemiske reaktioner.

Første forfatter Mr. Menzel udførte en række eksperimenter med en laser, arbejder sig op i spektret med nanometerpræcision for at registrere resultaterne.

"Vores mål var at forstå, hvordan molekylerne virker, og hvordan vi kan forudsige, hvor meget der kommer til at reagere, når du bruger forskellige lysfarver," sagde hr. Menzel.

Professor Blinco sagde, at undersøgelsen havde til formål at give den slags information, som forskere, der fremkalder reaktioner ved at justere temperaturen, ville have.

"Med en normal reaktion ville du sandsynligvis bruge varme - vi gør det med lys, " sagde professor Blinco.

"Så i stedet for at skulle forudsige, hvor meget energi du skal bruge gennem varme, det handler om at forudsige, hvor meget energi vi skal bruge gennem lyset.

"Med kemiske reaktioner, der drives af varme, hvis du varmer den mere op, så går reaktionen potentielt hurtigere. Med lys-inducerede reaktioner, vi har den fordel, at vi kan bruge alle regnbuens farver, og fotoner med de forskellige farver har forskellige energier.

"Så det betyder, at du har fået en meget bedre tuning i at være i stand til at indtaste de specifikke detaljer i din reaktion."

Menzel sagde, at ultraviolet lys (fotoner med kort bølgelængde) havde nok energi til at forårsage reaktioner, der kunne for eksempel, føre til hudkræft, mens synligt lys (fotoner med længere bølgelængde) ikke kunne. Tilsvarende ændring af enten fotonernes energi og deres intensitet, som at justere en lysdæmperkontakt, forårsagede enten en stærkere reaktion eller slet ingen kemisk reaktion.

Laureate Fellow Professor Barner-Kowollik fra Australian Research Council (ARC), en verdensførende blødt stof nanoteknolog, hvis karriere er fokuseret på lysets magt og muligheder i makromolekylær kemi, sagde det langsigtede mål var "kirurgisk reaktion selektivitet".

"Et af nøglespørgsmålene i fotokemi er:Hvordan kan du vælge lysfarver, så de påvirker de tilstedeværende materialer forskelligt, " sagde professor Barner-Kowollik.

"Med hvilken slags lys kan jeg kun aktivere reaktant A, og hvilken lysfarve skal vi bruge for at aktivere reaktant B uden at påvirke reaktant A.

"Med vores algoritme, videnskabsmænd kan bruge lys til at fjernstyre, hvilket materiale der bliver skabt, skifte fra et materiale til et helt andet ved at tænde og slukke for hver lyskilde.

"Lysets kraft transformerer den måde, vi fremstiller næste generations materialer til sundhed, mobilitet og den digitale verden, udnytter dens allestedsnærværende natur og præcisionen af ​​lasere."

Mens forskerne i øjeblikket er fokuseret på det molekylære niveau, det store billede er, hvordan forskellige farver (bølgelængder) af lys kan bruges i fremtiden til at skabe en række reaktioner i ét materiale.

Professor Barner-Kowollik siger, at den grundlæggende videnskab kan bruges i fremtidige generationer af 3D-printere, der skaber meget små strukturer.

"Forestil dig en printer, der bruger forskellige farver af lys til at aktivere forskellige elementer, når den skal udskrive ting - som indviklede strukturer i biomedicinske områder - med forskellige egenskaber, såsom hård eller blød, eller ledende eller isolator, " sagde professor Barner-Kowollik.

"science fiction af det, er, at printeren vælger mellem 10 forskellige farver lys, at udskrive alle egenskaber. Men for det skal du have selektivitet."

Professor Barner-Kowollik sagde, at en af ​​de udfordringer, han gerne vil overvinde i de næste fem år, ville være at etablere flerfarvet 3D-laserlitografi for at tillade 3D-udskrivning af forskellige materialeegenskaber ved brug af kun én printharpiks (blæk).

"Det ville måske være den mest kritiske udfordring inden for 3D-print, hvilket ville kræve, at kemiske reaktioner kan adresseres selektivt af bølgelængder af forskellige lysfarver i to-foton processer, " sagde professor Barner-Kowollik.

"Det er science fiction i øjeblikket, men med enorme implikationer, hvis det lykkes."