گروهی از دانشمندان ژاپنی دانشگاه «چیبا»، سیستم پلیمری فرامولکولی ایجاد کرده‌اند که با تنظیم شدت نور به ساختارهای یک‌بعدی، دوبعدی یا سه‌بعدی تبدیل می‌شود.

دانشمندان می‌گویند: این پیشرفت می‌تواند به نسل جدیدی از مواد هوشمند بسیار سازگار منجر شود. مواد فعلی معمولا پس از تثبیت شکل خود، ایستا هستند اما نتایج پژوهش کنونی سیستم غیرزیستی را نشان می‌دهد که ساختار یا حالت خود را بر اساس میزان انرژی دریافتی، دقیقا مانند موجودات زنده، تغییر می‌دهد.

تغییرات در شدت نور

این پژوهش به چالش اصلی در علم مواد، ایجاد مجموعه‌های مولکولی خارج از تعادل می‌پردازد، ساختارهایی که خارج از حالت ترمودینامیکی پایدار خود وجود دارند. در حالی که تحقیقات قبلی با استفاده از انرژی خارجی به چنین حالت‌هایی دست یافته‌اند اما سیستم‌های کمی می‌توانند به طور تطبیقی ‌به میزان انرژی ورودی پاسخ دهند.

شیکی یاگای گفت: گروه ما مدت‌ها است که تحقیقات منحصربه‌فردی را با هدف کنترل مورفولوژی‌های نانو تا مجموعه‌های مولکولی مزومقیاس با استفاده از نور دنبال می‌کند. با این حال، تاکنون سیستم خارج از تعادلی را درک نکرده بودیم که دقیقا مانند موجودات زنده، ساختار یا حالت خود را بر اساس میزان انرژی دریافتی تغییر می‌دهد.

این نوآوری در مولکولی 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 منحصربه‌فرد به ماده اجازه می‌دهد تا پلی‌مورفیسم ابرمولکولی که توسط نور تحریک و کنترل می‌شود را نشان دهد.

در ابتدا، مولکول‌های سنتز شده خود را به صورت نانوفیبرهای مارپیچی یک‌بعدی جمع می‌کنند. هنگامی که در زیر نور محیط بدون اختلال رها می‌شوند، به‌طور طبیعی به نانوصفحات دو بعدی ترمودینامیکی پایدارتر تبدیل می‌شوند و جادوی شدت نور آغاز می‌شود.

مواد تطبیقی

پژوهشگران هنگامی که نانوصفحات دوبعدی در معرض نور فرابنفش قوی (UV) قرار گرفتند، شاهد تغییری چشمگیر بودند.  این ماده دوباره به نانوفیبرهای خطی یک‌بعدی تبدیل شد.

میکروسکوپ نیروی اتمی با سرعت بالا (AFM) نشان داد که این تغییر به دلیل ایزومریزاسیون نوری واحد «آزوبنزن» است که پیوندهای هیدروژنی نگهدارنده صفحات دوبعدی را مختل می‌کند. جالب توجه است که این تبدیل به‌طور خاص در امتداد صورت خاصی از نانوبلورها رخ داد که بیشتر در معرض نور قرار داشتند و حتی قابل توجه‌تر اینکه، هنگامی که در معرض نور فرابنفش ضعیف قرار گرفتند، سیستم مسیر کاملا متفاوتی طی کرد.

مشاهدات میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی نشان داد که نانوصفحات کوچکتر از هم جدا شدند، در حالی که نانوصفحات بزرگتر  رشد عمودی را آغاز کردند و نانوبلورهای سه‌بعدی پیچیده‌ای را تشکیل دادند.

این فرآیند که به عنوان تکامل اوستوالد شناخته می‌شود، شامل حل شدن ساختارهای کوچکتر و رسوب مجدد آنها بر روی ساختارهای بزرگتر است که میکروسکوپ نیروی اتمی به زیبایی این رویدادهای رشد موضعی، ازجمله هسته‌زایی ثانویه و رشد اپیتاکسیال را ثبت کرد.

یاگای در پایان گفت: این سیستم فرامولکولیِ خارج از تعادل، راه را برای توسعه مواد بسیار کاربردی هموار می‌کند که می‌توانند حالت‌های خود را در پاسخ به محرک‌های خارجی مانند سیستم‌های زنده، تغییر دهند.

در آینده با گنجاندن عملکردهای فوتواکتیو، الکترواکتیو یا حتی کاتالیزوری به‌طور مستقیم در طراحی مولکولی، ممکن است بتوان سیستم‌هایی ایجاد کرد که عملکرد آنها به‌طور خود به خود با تغییرات محیطی سازگار شود.

این پژوهش، دریچه‌ای به سوی نسل جدیدی از مواد هوشمند از سطوح خود ترمیم شونده و حسگرهای پویا گرفته تا سیستم‌های دارورسانی سازگار و فناوری‌های برداشت انرژی باز کرده است که می‌توانند به محیط اطراف خود پاسخ دهند.

نتایج این پژوهش در نشریه «شیمی» (Chem) منتشر شده است.

انتهای پیام