Naukowcy z Japonii opracowali nowy układ molekularny, który dynamicznie przełącza się między strukturami jednowymiarowymi, dwuwymiarowymi i trójwymiarowymi w zależności od natężenia światła. To przełom, opublikowane w czasopiśmie Chem 17 listopada 2025 r., demonstruje bezprecedensowy poziom adaptacyjnej kontroli nad złożeniami molekularnymi, otwierając potencjał tworzenia zaawansowanych materiałów, które reagują na zmiany środowiskowe, takie jak systemy żywe.
Wyzwanie adaptacyjnych struktur molekularnych
Tworzenie materiałów, które istnieją poza równowagą termodynamiczną — to znaczy, które nie przechodzą samoistnie do stanu o minimalnej energii — jest jednym z głównych celów nauki o materiałach. Większość systemów wymaga stałego dopływu energii (takiej jak ciepło lub światło), aby utrzymać te stany. Rzadko zdarza się system, który zmienia swoją strukturę w zależności od ilości otrzymanej energii.
Jak działa nowy system
Zespół kierowany przez profesorów Shiki Yagaya (Uniwersytet Chiba), Christiana Gansera (Narodowe Instytuty Nauk Przyrodniczych) i Masaki Kawano (Tokijski Instytut Nauki) opracował cząsteczkę łączącą składnik światłoczuły (azobenzen) ze zmieniającym strukturę rdzeniem (merocyjanina na bazie kwasu barbiturowego).
- Światło otoczenia: Cząsteczka początkowo tworzy skręcone jednowymiarowe nanowłókna. W normalnym oświetleniu w pomieszczeniu włókna te spontanicznie układają się w stabilne nanocząstki 2D.
- Silne światło UV: Intensywne światło UV powoduje, że nanocząsteczki przekształcają się w liniowe nanowłókna. Dzieje się tak, ponieważ światło powoduje zmianę składnika azobenzenowego, rozrywając wiązania wodorowe spajające nanocząstki. Szybka mikroskopia sił atomowych (HS-AFM) wykazała, że transformacja ta zachodzi selektywnie na określonych powierzchniach krystalicznych, na których eksponowany jest składnik światłoczuły.
- Słabe światło UV: Niskie światło UV powoduje, że mniejsze nanocząsteczki rozpadają się, podczas gdy większe rosną pionowo, tworząc nanokryształy 3D. Dzieje się to w procesie zwanym rekrystalizacją Ostwalda, podczas którego mniejsze struktury rozpuszczają się i osadzają na większych, powodując ich wzrost. W ramach projektu HS-AFM zarejestrowano ten proces w czasie rzeczywistym, w tym powstawanie nowych kryształów i ich wzrost na istniejących strukturach.
Dlaczego to jest ważne
Badania te pokazują, że możliwe jest stworzenie układów molekularnych, które dostosowują swoją strukturę w zależności od zewnętrznych poziomów energii. W przeciwieństwie do większości materiałów, które wymagają stałego dopływu energii, aby utrzymać stany nierównowagowe, system ten reaguje na zmiany w poborze energii. Może to doprowadzić do powstania materiałów, które dynamicznie zmieniają swoje właściwości – takie jak przewodność, elastyczność czy reaktywność – w reakcji na światło, temperaturę lub inne czynniki środowiskowe.
Ten poziom kontroli nad złożeniami molekularnymi otwiera możliwość tworzenia inteligentnych materiałów naśladujących zdolności adaptacyjne systemów biologicznych.
