Forscher in Japan haben ein neuartiges molekulares System entwickelt, das je nach Lichtintensität dynamisch zwischen ein-, zwei- und dreidimensionalen Strukturen wechselt. Dieser Durchbruch, der am 17. November 2025 in Chem veröffentlicht wurde, demonstriert ein bisher nicht dagewesenes Maß an adaptiver Kontrolle über molekulare Anordnungen und bietet Potenzial für fortschrittliche Materialien, die auf Umweltveränderungen wie lebende Systeme reagieren.
Die Herausforderung adaptiver Molekülstrukturen
Ein Hauptziel der Materialwissenschaft ist die Schaffung von Materialien, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts existieren – das heißt, dass sie sich nicht auf natürliche Weise in ihrem niedrigsten Energiezustand niederlassen. Die meisten Systeme erfordern eine konstante Energiezufuhr (wie Wärme oder Licht), um diese Zustände aufrechtzuerhalten. Was selten vorkommt, ist ein System, das seine Struktur basierend auf der empfangenen Energie anpasst.
Wie das neue System funktioniert
Das Team unter der Leitung der Professoren Shiki Yagai (Universität Chiba), Christian Ganser (National Institutes of Natural Sciences) und Masaki Kawano (Institute of Science Tokyo) entwarf ein Molekül, das eine lichtempfindliche Komponente (Azobenzol) mit einem strukturverändernden Kern (einem Merocyanin auf Barbitursäurebasis) kombiniert.
- Umgebungslicht: Das Molekül bildet zunächst gewickelte eindimensionale Nanofasern. Unter normalem Raumlicht ordnen sich diese spontan zu stabilen zweidimensionalen Nanoblättern um.
- Starkes UV-Licht: Intensives ultraviolettes Licht zwingt die Nanoblätter dazu, sich wieder in lineare Nanofasern umzuwandeln. Dies geschieht, weil das Licht eine Veränderung der Azobenzolkomponente auslöst und die Wasserstoffbrückenbindungen zerstört, die die Nanoblätter zusammenhalten. Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (HS-AFM) zeigt, dass diese Transformation selektiv auf bestimmten kristallinen Oberflächen stattfindet, auf denen die lichtempfindliche Komponente freiliegt.
- Schwaches UV-Licht: Ultraviolettes Licht geringer Intensität führt dazu, dass kleinere Nanoblätter zerfallen, während größere vertikal zu dreidimensionalen Nanokristallen wachsen. Dies geschieht durch einen Prozess namens Ostwald-Reifung, bei dem sich kleinere Strukturen auflösen und sich wieder auf größeren ablagern, wodurch diese wachsen. HS-AFM hat diesen Prozess in Echtzeit erfasst, einschließlich der Bildung neuer Kristalle und ihres Wachstums auf bestehenden Strukturen.
Warum das wichtig ist
Diese Forschung zeigt, dass es möglich ist, molekulare Systeme zu entwerfen, die ihre Struktur basierend auf externen Energieniveaus anpassen. Im Gegensatz zu den meisten Materialien, die konstante Energie benötigen, um Ungleichgewichtszustände aufrechtzuerhalten, reagiert dieses System auf Änderungen im Energieeintrag. Dies könnte zu Materialien führen, die ihre Eigenschaften als Reaktion auf Licht, Temperatur oder andere Umweltfaktoren dynamisch anpassen – beispielsweise ihre Leitfähigkeit, Flexibilität oder Reaktivität ändern.
Dieses Maß an Kontrolle über molekulare Anordnungen eröffnet Möglichkeiten zur Schaffung „intelligenter“ Materialien, die die Anpassungsfähigkeit biologischer Systeme nachahmen
