Wetenschappers van de Universiteit van Nagoya hebben een nieuwe manier ontwikkeld om op een voorspelbare manier op prikkels reagerende materialen te maken. Ze gebruikten deze methode om een ​​nieuw materiaal te ontwerpen, een mengsel van koolstof nanoringen en jodium, die elektriciteit geleidt en wit licht uitstraalt bij blootstelling aan elektriciteit. De nieuwe aanpak van het team kan helpen bij het genereren van een reeks betrouwbare, op prikkels reagerende materialen, die kan worden gebruikt in geheugenapparaten, kunstmatige spieren en medicijnafgiftesystemen, onder andere toepassingen.

Nagoya, Japan - Op prikkels reagerende materialen veranderen hun eigen eigenschappen als reactie op externe prikkels, zoals fotobestraling, warmte, druk en elektriciteit. Deze functie kan worden bediend voor een breed scala aan toepassingen, zoals bij optische schijven, computergeheugens en displays, evenals kunstmatige spieren en medicijnafgiftesystemen.

Onderzoekers hebben op een voorspelbare manier nieuwe, op stimuli reagerende materialen ontwikkeld. Echter, het was buitengewoon moeilijk om de complexe moleculaire rangschikkingen van de materialen te ontwerpen en te beheersen.

Nutsvoorzieningen, een eenvoudige en betrouwbare methode om op stimuli reagerende materialen te synthetiseren, is ontwikkeld door een team onder leiding van het JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project van Nagoya University en het Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). De resultaten van deze studie werden onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

De 'responsive porous host'-methode neemt een molecuul met een poreus raamwerk en bindt daaraan een 'gast'-molecuul dat waarschijnlijk zal reageren op externe prikkels. In dit geval, het team ontdekte dat [10]cycloparafenyleen ([10]CPP), een koolwaterstofmolecuul bestaande uit 10 para-verbonden benzeenringen, maakte een ideale gastheer in combinatie met jodium (I). Jodium bevindt zich in de poreuze koolstofringen, en reageerde op elektrische stimulatie. Het geleidt niet alleen elektriciteit, het straalde ook een wit licht uit, wat ongebruikelijk is. Typisch, er zijn veel andere componenten nodig om de witte kleur te verkrijgen. Dit toont het potentieel van het nieuwe materiaal, [10]CPP-I, voor de volgende generatie verlichtingssystemen.

"Deze 'responsieve poreuze gastheer'-benadering zal naar verwachting van toepassing zijn op verschillende stimuli, zoals fotobestraling, warmtetoepassing en pH-verandering, en het pad openen voor het bedenken van een generieke strategie voor de ontwikkeling van op prikkels reagerende materialen op een beheersbare en voorspelbare manier, " zei Dr. Hirotoshi Sakamoto, een groepsleider van het JST-ERATO-project.

Het synthetiseren van het materiaal is verrassend eenvoudig:de onderzoekers mengden koolstofnanoringen (CPP) en jodium samen, en laat het drogen. Röntgenkristallografie bevestigde dat de jodiummoleculen op één lijn liggen in de holle kern van de uitgelijnde nanoringen.

Het team probeerde verschillende variaties van het mengsel, het aantal koolstofnanoringen veranderen, en ontdekte dat 10 ringen leidden tot de meest dynamische jodiumatoombeweging en de meest gevoelige reactie op externe omgevingsveranderingen.

Wanneer een gelijkstroom werd toegepast op [10]CPP-I, de bulkweerstand van het monster werd ongeveer 380 keer lager, wat aangeeft dat het elektriciteit geleidt in plaats van weerstand te bieden aan elektrische transmissie. De bulkweerstand in mengsels met 9 of 12 nanoringen nam niet zo veel af. Deze resultaten laten zien dat de poriegrootte in het nanoringsamenstel de reactie op elektrische stimulatie regelt.

"Een van de moeilijkste onderdelen van dit onderzoek was om te onderzoeken hoe de elektrische geleidbaarheid van [10]CPP-I wordt ingeschakeld door elektrische stimuli, " zei Dr. Noriaki Ozaki, een postdoctoraal onderzoeker van het JST-ERATO-project. "Hoewel het ons slechts ongeveer drie maanden kostte om het molecuul te synthetiseren en zijn elektrisch-stimuli-responsieve eigenschappen te ontdekken, het duurde nog een jaar om de oorsprong van zijn eigenschappen te ontdekken."

Het team ontdekte eindelijk hoe de elektrische geleidbaarheid van [10]CPP-I wordt ingeschakeld door elektrische stimuli, met behulp van röntgenabsorptie near-edge spectroscopie (XANES), Raman-spectroscopie, en fluorescentiespectroscopie. Deze analyses toonden aan dat de jodiumatomen in de koolstofnanoringen verlengde polyjodideketens vormen wanneer ze worden gestimuleerd door elektriciteit, die gaf het materiaal elektrische geleidbaarheid.

De onderzoekers ontdekten ook dat elektrische stimuli de fotoluminescentiekleur van [10]CPP-I kunnen veranderen van een groenblauwe kleur naar een witte kleur. Witte luminescentie betekent dat het fluorescentiespectrum van [10]CPP-I het hele zichtbare lichtbereik bestrijkt. Spectrale verbreding wordt toegeschreven aan de onregelmatige distributie van de elektronische structuren van CPP's, die wordt veroorzaakt door de vorming van polyjodideketens. De witte luminescentie van [10]CPP-I is een zeldzaam voorbeeld van wit verlichtingsmateriaal van een enkele moleculaire assemblage; emissie van wit licht wordt meestal bereikt door verschillende componenten van verschillende kleuren te mengen.

"We waren erg enthousiast om deze eenvoudige maar krachtige methode te ontwikkelen om de synthese van materialen met externe prikkels te bereiken, " zei professor Kenichiro Itami, directeur van het JST-ERATO-project en centrumdirecteur van ITbM.