Een team onder leiding van FAMU-FSU College of Engineering-onderzoekers heeft nieuw inzicht in moleculen die van vorm veranderen als reactie op licht.

De onderzoekers die op azobenzeen gebaseerde polymeren bestudeerden, ontdekten dat hun vrije volume - een maat voor de ruimte tussen polymeerketens - sterk verband hield met het vermogen van de polymeren om zichtbare lichtstraling om te zetten in mechanische energie.

De resultaten zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

"Als je een stel mensen in een lift zet, het is echt moeilijk om eruit te komen, " zei senior auteur Billy Oates, de Cummins Inc. Professor in Mechanical Engineering aan het FAMU-FSU College of Engineering. "Maar als je genoeg ruimte ertussen hebt, je kunt je verplaatsen. Dat is wat we vonden, dat de ruimte tussen de massa polymeermoleculen een verschil maakt."

Azobenzeen is een fotoschakelbare chemische verbinding. Dat betekent elektromagnetische straling, in het bijzonder ultraviolet en zichtbaar licht - kan de geometrie en chemische eigenschappen van een molecuul veranderen.

Een netwerk van azobenzeenpolymeren ziet eruit als een hoop spaghettislierten die samengeklonterd zijn. Wanneer licht het netwerk bereikt, het zorgt ervoor dat sommige moleculen korter worden en veranderen van een staafvorm in een boemerangvorm.

Eerdere studies hebben de fotomechanische aard van azobenzeen onderzocht, maar dit werk was het eerste dat de bulkenergieconversie kwantificeerde voor een systeem van azobenzeenpolymeren op moleculaire schaal. Onderzoekers ontdekten dat de licht-naar-mechanische energieconversieverhouding 10 keer groter werd naarmate het vrije volume toenam van 0,5 procent naar 12 procent.

Als een ander onderdeel van dit werk, de onderzoekers ontwikkelden ook een nieuw grofkorrelig model om uit te leggen hoe de azobenzeenpolymeren op elkaar inwerken. Grofkorrelige modellen zijn een manier om het gedrag van grote, complexe moleculaire systemen met minimaal verlies van informatie, zodat wetenschappers simulaties kunnen uitvoeren die anders onhaalbaar zouden zijn met fijn gedetailleerde moleculaire modellen.

Het onderzoek kan leiden tot nieuwe slimme materiaaltechnologie. Bijvoorbeeld, in plaats van draden te gebruiken om elektriciteit te verplaatsen, ingenieurs konden licht gebruiken om machineonderdelen op afstand te bedienen. Een mogelijke toepassing zou een methode kunnen zijn om de vele spiegels die deel uitmaken van een array bij een zonnethermische centrale te verplaatsen.

"Je hoeft je geen zorgen te maken over rommelige elektrische bedrading, "Zei Oates. "Je hebt alleen een gezichtslijn nodig om het licht in het systeem te krijgen. Dat is de grootste kans hier, de ontwikkeling van een nieuwe manier om materialen en constructies met licht te activeren."