ماده ای که با نور کنترل می شود

در این تحقیق یک سیستم غیر زیستی نمایش داده شده که ساختار یا وضعیت خود را براساس مقدار انرژی دریافت و تغییر می‌دهد که مشابه ارگانیسم‌های زنده است. پژوهش مذکور چالش اصلی در علم مواد یعنی ایجاد مونتاژهای مولکولی خارج از تعادل یا به عبارت دقیق‌تر ساختارهایی که خارج از حالت پایدار ترمودینامیکی خود وجود دارند را هدف گرفته است.

هرچند پژوهش‌های پیشین با استفاده از انرژی خارجی به چنین وضعیت‌هایی دست یافتند، سیستم‌های اندکی می‌توانستند به طور تطبیقی به میزان انرژی وارد شده، پاسخ دهند.

پروفسور شیکی یاگای در این باره می‌گوید: محققان ما از مدت‌ها قبل تحقیقی منحصر به فرد با هدف کنترل شکل‌ها و ساختارهای مونتاژهای مولکولی در مقیاس نانو تا مزوسکال با استفاده از نور دنبال می‌کنند. اما تا به حال متوجه سیستم خارج از تعادلی که بسیار شبیه ارگانیسم‌های زنده هستند و ساختار یا وضعیت شأن برحسب مقدار انرژی دریافتی تغییر می‌کند، نشده بودیم.

این نوآوری در یک مولکول با طراحی ویژه نهفته است که یک واحد «آزوبنزن» حساس به نور را با یک هسته «مروسیانین مبتنی بر اسید باربیتوریک» ترکیب می‌کند. این ترکیب یگانه سبب می‌شود مواد چند شکلی فرامولکولی (supramolecular polymorphism) که همان توانایی در تشکیل ساختارهای مونتاژی مختلف است را از خود نشان دهند که با نور فعال و کنترل می‌شود.

در ابتدا مولکول‌های سنتزی به طور خودکار در حالت نانوفیبرهای یک بعدی مارپیچی شکل می‌گیرند. هنگامیکه آنها تحت نور محیطی و بدون دستکاری قرار گیرند، به طور طبیعی به ورقه‌های نانو دو بعدی که از لحاظ ترمودینامیکی با ثبات تر هستند، تغییر وضعیت می‌دهند. در این نقطه جادوی شدت نور آغاز می‌شود.

هنگامیکه نانوورقه های دو بعدی در معرض نور فرا بنفش قرار گرفتند، محققان شاهد یک معکوس سازی شدید بودند. در این وضعیت ماده به حالت نانوفیبر خطی یک بعدی بازگشت.

میکروسکوپ پرسرعت نیرو اتمی (HS-AFM) نشان داد این تغییر به دلیل ایزومراسیون نوری واحد آزوبنزن رخ داده که به نوبه خود پیوندهای هیدروژنی که ورقه‌های دو بعدی را کنار هم نگه می‌داشت، مختل کرد.

جالب آنکه این تغییرات درحالی رخ داد که برخی وجوه خاص از نانو کریستال‌ها بیشتر در معرض نور قرار گرفتند. نکته جالب‌تر آنکه وقتی آنها در معرض نور فرابنفش ضعیف قرار گرفتند، سیستم مسیری کاملاً متفاوت را در پیش گرفت. مشاهدات میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و AFM نشان داد نانوورقه های کوچک‌تر از هم جدا شدند، در حالی که نانوورقه های بزرگ‌تر شروع به رشد عمودی کردند و نانوبلورهای سه‌بعدی پیچیده‌ای را تشکیل دادند.

این تحقیق فرصت‌هایی برای تولید نسل جدید مواد هوشمند از سطوح خود ترمیم شونده گرفته تا حسگرهای دینامیک و سیستم‌های انتقال دارو سازگار و فناوری‌های برداشت انرژی که می‌توانند به محیط شأن واکنش نشان دهند، فراهم می‌کند.