Nanosekund laser-induceret amplifikation af en fotokrom reaktion i en diarylethen nanopartikel

Et forskerhold ved Ehime University fandt et drastisk forstærket ringåbningsreaktionsudbytte i vandige nanopartikelkolloider af en fotokrom diarylethen, når den blev induceret af en intens nanosekund laserpuls, og tydeliggjort dens forstærkningsmekanisme. Resultaterne blev offentliggjort den 4. juli, 2020, i Kemisk kommunikation og stod på bagsiden af ​​bladet.

Organiske molekyler i et fast stof har et andet miljø end et molekyle i opløsning på grund af de begrænsede molekylære bevægelser/vibrationer og de elektronisk gensidige interaktioner mellem nabomolekyler. De organiske faste stoffer forventes at vise forskellige fotokemiske reaktioner og fotofysiske egenskaber fra opløsningen. Især, lysbestråling med høj fotondensitet såsom en ultrakort pulslaser til det faste stof tillader interaktioner mellem multikromofor og multifotoner, fører til nye fotokemiske reaktioner, som ikke kan realiseres ved konventionel lysbestråling.

I dette studie, forskere fokuserede på et diarylethenderivat som en organisk fast prøve. Diarylethenderivater, først syntetiseret af prof. Irie ved Kyushu University viser en fotoinduceret reversibel transformation mellem en farveløs åben form og en farvet lukket form. Den kemiske bindingsomlægning under fototransformationen inducerer hurtigt ikke kun farveændringen, men også forskellige fysiske og kemiske egenskaber såsom fluorescensspektre, brydningsindekser, oxidations-/reduktionspotentialer, og chirale egenskaber. For nylig, mange forskere i verden rapporterede, at diarylethen-krystaller viste fotomekaniske funktioner ved at udnytte deres formændringer såsom ekspansion/krympning, og bøjning og krølning af lys. Derfor, diarylethenderivater har tiltrukket sig stor opmærksomhed som næste generations fotoenergiomdannelsesmateriale.

I dette studie, forskere fremstillede vandige nanopartikelkolloider af et diarylethenderivat i lukket form ved genudfældningsmetoden, og undersøgte ringåbningsreaktionsudbyttet fra lukkede til åbne former efter bestråling af en enkeltskuds nanosekund laserpuls (excitationsbølgelængde; 532 nm, Puls varighed; 6 ns). Som resultat, reaktionsudbyttet af nanopartiklerne viste en tredjeordens stigning med laserfluensen, mens den for opløsningen steg monotont. Det er, forskere fandt for første gang, at den ikke-lineære stigning i reaktionsudbyttet ved nanosekundlaserpulsen kun blev observeret i nanopartiklerne. Mekanismen for den amplificerede ringåbningsreaktion kunne forklares ved en "fotosynergetisk effekt" koblet med fototermisk omdannelse i nanoskala og den fotokemiske reaktion i en nanopartikel, på grundlag af resultaterne af steady-state og tidsopløste spektroskopier.

Til forskel fra den simple temperatureffekt, laservarmeeffekten i nanoskala, fototermisk omdannelse af det exciterede molekyle og termisk ledning på nanometerlængdeskalaen, spiller en vigtig rolle. Kort, et molekyle i lukket form exciteret af en foton i en ns-puls opvarmet omgivende molekyler (genererer en varm klynge bestående af flere molekyler med høje temperaturer). Når et andet molekyle i den varme klynge absorberer en anden foton af samme puls, den forstærkede ringåbningsreaktion ville finde sted under sådanne forbigående højtemperaturbetingelser.

Denne proces afhænger af den gensidige interaktion mellem en multi-kromofor og en multi-foton, som kan induceres af kombinationen af ​​et organisk fast stof med høj molekylær tæthed og en ns laserpuls med høj foton tæthed. Disse resultater vil uddybe forståelsen af ​​den "fotosynergetiske respons" karakteristisk for nye laser-inducerede reaktioner af faste fotofunktionelle materialer.