Veel natuurlijke en synthetische chemische systemen reageren en veranderen hun eigenschappen in de aanwezigheid van bepaalde soorten licht. Deze reacties kunnen te snel optreden voor gewone instrumenten om te zien. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een nieuwe techniek aangenomen om de snelle reacties te observeren. Een speciaal soort reactie die met deze methode wordt waargenomen, zou kunnen leiden tot nieuwe optische nanotechnologie.

In de chemie, moleculen kunnen op verschillende manieren worden gemanipuleerd om verschillende dingen te produceren. isomerisatie, bijvoorbeeld, is een proces dat de rangschikking van een molecuul verandert, maar de samenstellende atomen laat zoals ze zijn. Het proces wordt gevonden in natuurlijke systemen zoals het netvlies van het oog, en kunstmatige systemen zoals bepaalde soorten chemische synthese. In veel gevallen maakt isomerisatie in wezen een bepaald gebied van moleculen min of meer geordend.

Foto-isomerisatie is een type isomerisatie dat wordt geactiveerd door licht en dat sneller plaatsvindt dan een oogwenk. Professor Takashi Kato van de afdeling Scheikunde en collega's onderwierpen vloeibaar-kristalmoleculen van de chemische verbinding azobenzeen aan specifieke frequenties van UV-licht. De foto-isomerisatie van een enkel azobenzeenmolecuul vindt doorgaans plaats op een tijdschaal van honderden femtoseconden (vierduizendste van een seconde). Dat is ongeveer een miljardste tot een biljoenste van de tijd die je normaal gesproken nodig hebt om met je ogen te knipperen! De onderzoekers ontdekten dat het molecuul vervolgens moleculaire interacties in vloeibare kristallen veroorzaakt op tijdschalen van honderden picoseconden (biljoensten van een seconde).

"We hebben laten zien hoe we de vorm van azobenzeenmoleculen kunnen veranderen van een rechte staafvorm in een licht gebogen vorm in een proces dat wordt geactiveerd door fotobestraling van UV-licht. Deze buiging kan zich vertalen in een mechanische of elektronische functie, " zei Kato. "De reactie plant zich voort door naburige moleculen in het monster, wat betekent dat het een uiterst efficiënt proces is."

Deze reactie vindt niet geïsoleerd plaats, echter; het komt voor in een monster van zachte materie waarvan de functie afhangt van de samenstellende moleculen en hun gedrag. In dit geval, zachte materie kan van alles betekenen, van een kunstmatige spier tot flexibele fotografische sensoren of zelfs dingen die nog niet gedacht zijn. Het belangrijke feit is dat de eerste reactie, die typisch slechts honderden femtoseconden duurt, een reactie initieert in de omringende zachte materie in ongeveer honderd picoseconden, en doet dat efficiënt.

"Dit is de snelste intermoleculaire beweging die ooit is waargenomen in zachte materie. In feite was wat we wilden observeren zo snel dat we een aantal zeer gespecialiseerde methoden moesten gebruiken om gegevens te verzamelen en te visualiseren wat er gebeurde tijdens deze minuscule tijdframes, "vervolgde Kato. "Dit zou niet mogelijk zijn geweest zonder een aantal unieke handgemaakte spectrale instrumenten, gemaakt door mijn collega Associate Professor Masaki Hada van de Universiteit van Tsukuba."

De methoden staan ​​bekend als ultrasnelle transiënte transmissiespectroscopie, wat een nauwkeurige manier is om de samenstelling van een moleculair monster vast te leggen, en ultrasnelle tijdsopgeloste elektronendiffractie, wat analoog is aan een röntgenfoto en is hoe beelden van de reactie werden waargenomen. Merk op dat beide methoden "ultrasnelle, " wat alleen maar aantoont dat andere methoden onvoldoende zouden zijn geweest om gegevens vast te leggen met de tijdresolutie die de onderzoekers wilden.

"Ik heb meer dan 35 jaar als chemicus gewerkt aan geordende moleculaire assemblages zoals zelf-assemblerende systemen sinds ik een afgestudeerde student was. Dit onderzoek bevordert de fundamentele chemie van fotoresponsieve moleculen in zachte materie en hun ultrasnelle fotomechanische toepassingen, ", besluit Kato. "Het is een voorrecht voor mezelf en mijn collega's om aan dit soort projecten te werken. We hopen dat dit kan bijdragen aan het ontwerp van op moleculaire materialen gebaseerde materialen, zoals mechanismen met een zacht lichaam en fotofunctionele materialen."