Onderzoekers in Japan hebben een nieuw moleculair systeem ontwikkeld dat dynamisch verschuift tussen een-, twee- en driedimensionale structuren op basis van de lichtintensiteit. Deze doorbraak, gepubliceerd in Chem op 17 november 2025, demonstreert een niveau van adaptieve controle over moleculaire assemblages dat voorheen ongezien was, en biedt potentieel voor geavanceerde materialen die reageren op veranderingen in het milieu, zoals levende systemen.
De uitdaging van adaptieve moleculaire structuren
Het creëren van materialen die buiten het thermodynamische evenwicht bestaan – wat betekent dat ze niet op natuurlijke wijze in hun laagste energietoestand terechtkomen – is een belangrijk doel in de materiaalwetenschap. De meeste systemen vereisen een constante energie-input (zoals warmte of licht) om deze toestanden te behouden. Wat zeldzaam is, is een systeem dat zijn structuur aanpast op basis van de hoeveelheid energie die het ontvangt.
Hoe het nieuwe systeem werkt
Het team, onder leiding van de professoren Shiki Yagai (Chiba University), Christian Ganser (National Institutes of Natural Sciences) en Masaki Kawano (Institute of Science Tokyo), ontwierp een molecuul dat een lichtgevoelige component (azobenzeen) combineert met een structuurveranderende kern (een op barbituurzuur gebaseerde merocyanine).
- Omgevingslicht: Het molecuul vormt aanvankelijk opgerolde eendimensionale nanovezels. Bij normaal kamerlicht herschikken deze zich spontaan tot stabiele tweedimensionale nanosheets.
- Sterk UV-licht: Intens ultraviolet licht dwingt de nanosheets om terug te keren naar lineaire nanovezels. Dit gebeurt omdat het licht een verandering in de azobenzeencomponent teweegbrengt, waardoor de waterstofbruggen die de nanosheets bij elkaar houden, worden verstoord. Hogesnelheidsatomaire krachtmicroscopie (HS-AFM) laat zien dat deze transformatie selectief plaatsvindt op specifieke kristallijne oppervlakken waar de lichtgevoelige component wordt blootgesteld.
- Zwak UV-licht: Ultraviolet licht met een lage intensiteit zorgt ervoor dat kleinere nanosheets worden afgebroken, terwijl grotere verticaal uitgroeien tot driedimensionale nanokristallen. Dit gebeurt via een proces dat Ostwald-rijping wordt genoemd, waarbij kleinere structuren oplossen en zich opnieuw afzetten op grotere, waardoor ze gaan groeien. HS-AFM heeft dit proces in realtime vastgelegd, inclusief de vorming van nieuwe kristallen en hun groei op bestaande structuren.
Waarom dit belangrijk is
Dit onderzoek toont aan dat het mogelijk is moleculaire systemen te ontwerpen die hun structuur aanpassen op basis van externe energieniveaus. In tegenstelling tot de meeste materialen die constante energie nodig hebben om niet-evenwichtstoestanden te behouden, reageert dit systeem op veranderingen in de energie-input. Dit zou kunnen leiden tot materialen die hun eigenschappen dynamisch aanpassen – bijvoorbeeld door hun geleidbaarheid, flexibiliteit of reactiviteit te veranderen – als reactie op licht, temperatuur of andere omgevingsfactoren.
Dit niveau van controle over moleculaire assemblages opent mogelijkheden voor het creëren van “slimme” materialen die het aanpassingsvermogen van biologische systemen nabootsen
