Een onderzoeksteam van de Ehime University vond een drastisch versterkte ringopeningsreactie-opbrengst in waterige nanodeeltjescolloïden van een fotochroom diaryletheen wanneer geïnduceerd door een intense nanoseconde laserpuls, en verduidelijkte het versterkingsmechanisme. De bevindingen werden op 4 juli gepubliceerd, 2020, in Chemische communicatie en verscheen op de achterkant van het tijdschrift.

Organische moleculen in een vaste stof hebben een andere omgeving dan een molecuul in oplossing vanwege de beperkte moleculaire bewegingen/trillingen en de elektronisch wederzijdse interacties tussen naburige moleculen. Van de organische vaste stoffen wordt verwacht dat ze verschillende fotochemische reacties en fotofysische eigenschappen van de oplossing vertonen. Vooral, lichtbestraling met een hoge fotonendichtheid, zoals een ultrakorte pulslaser naar de vaste stof, maakt interacties tussen multichromofoor en multifotonen mogelijk, wat leidt tot nieuwe fotochemische reacties die niet kunnen worden gerealiseerd door conventionele bestraling met licht.

In dit onderzoek, onderzoekers concentreerden zich op een diaryletheenderivaat als een organisch vast monster. Diaryletheenderivaten, eerst gesynthetiseerd door Prof. Irie aan de Kyushu University tonen een foto-geïnduceerde omkeerbare transformatie tussen een kleurloze open vorm en een gekleurde gesloten vorm. De chemische bindingsherschikking tijdens de fototransformatie veroorzaakt niet alleen snel de verandering van kleur, maar ook van verschillende fysische en chemische eigenschappen zoals fluorescentiespectra, brekingsindices, oxidatie/reductiepotentialen, en chirale eigenschappen. Onlangs, veel onderzoekers in de wereld meldden dat dagboekletheenkristallen fotomechanische functies vertoonden door gebruik te maken van hun vormveranderingen zoals uitzetting / krimp, en buigen en krullen door licht. Daarom, dagboekletheenderivaten hebben veel aandacht getrokken als een foto-energieconversiemateriaal van de volgende generatie.

In dit onderzoek, onderzoekers bereidden waterige nanodeeltjescolloïden van een dagboekletheenderivaat in gesloten vorm door de reprecipitatiemethode, en onderzocht de opbrengst van de ringopeningsreactie van gesloten naar open vormen na bestraling van een enkelschots nanoseconde laserpuls (excitatiegolflengte; 532 nm, Duur van de polsslag; 6 ns). Als resultaat, de reactieopbrengst van de nanodeeltjes vertoonde een toename van de derde orde met de laserfluentie, terwijl die van de oplossing monotoon toenam. Dat is, onderzoekers ontdekten voor het eerst dat de niet-lineaire toename van de reactieopbrengst door de nanoseconde laserpuls alleen in het nanodeeltje werd waargenomen. Het mechanisme van de versterkte ringopeningsreactie kan worden verklaard door een "fotosynergetisch effect" in combinatie met fotothermische conversie op nanoschaal en de fotochemische reactie in een nanodeeltje, op basis van de resultaten van de steady-state en tijdsopgeloste spectroscopieën.

In tegenstelling tot het eenvoudige temperatuureffect, het laserverwarmingseffect op nanoschaal, d.w.z. fotothermische omzetting van het geëxciteerde molecuul en thermische geleiding op de nanometer-lengteschaal, speelt een belangrijke rol. Kort, één molecuul in gesloten vorm, geëxciteerd door één foton in een ns-puls, verwarmde omringende moleculen (waardoor een heet cluster ontstaat dat bestaat uit meerdere moleculen met hoge temperaturen). Wanneer een ander molecuul in de hete cluster een ander foton van dezelfde puls absorbeert, de verbeterde ringopeningsreactie zou plaatsvinden onder zo'n voorbijgaande hoge temperatuurconditie.

Dit proces is afhankelijk van de onderlinge interactie tussen een multichromofoor en een multifoton, die kan worden geïnduceerd door de combinatie van een organische vaste stof met een hoge moleculaire dichtheid en een ns-laserpuls met een hoge fotonendichtheid. Deze resultaten zullen het begrip van de "fotosynergetische respons" die kenmerkend is voor nieuwe laser-geïnduceerde reacties van vaste fotofunctionele materialen verdiepen.