Японські дослідники розробили нову молекулярну систему, яка динамічно перемикається між одновимірними, двовимірними та тривимірними структурами залежно від інтенсивності світла. Цей прорив, опублікований у журналі Chem 17 листопада 2025 року, демонструє безпрецедентний рівень адаптивного контролю над молекулярними агрегатами, відкриваючи потенціал для створення передових матеріалів, які реагують на зміни навколишнього середовища, як живі системи.
Виклик адаптивних молекулярних структур
Створення матеріалів, які існують поза термодинамічної рівноваги, тобто не переходять спонтанно до стану мінімальної енергії, є однією з головних цілей матеріалознавства. Більшість систем потребують постійного надходження енергії (наприклад, тепла чи світла) для підтримки цих станів. Рідко зустрічається система, яка змінює свою структуру залежно від кількості енергії, яку вона отримує.
Як працює нова система
Команда під керівництвом професорів Шикі Ягая (Університет Чіба), Крістіана Гансера (Національний інститут природничих наук) і Масакі Кавано (Токійський інститут науки) розробила молекулу, яка поєднує в собі світлочутливий компонент (азобензол) із ядром, що змінює структуру (мероціанін на основі барбітурової кислоти).
- Навколишнє світло: Молекула спочатку утворює скручені одновимірні нановолокна. При нормальному освітленні кімнати ці волокна спонтанно перебудовуються в стабільні 2D нанопластини.
- Сильне ультрафіолетове світло: інтенсивне ультрафіолетове світло змушує нанопластини перетворюватися на лінійні нановолокна. Це відбувається тому, що світло викликає зміну азобензольного компонента, розриваючи водневі зв’язки, які утримують нанопласти разом. Високошвидкісна атомно-силова мікроскопія (HS-AFM) показала, що це перетворення відбувається вибірково на конкретних кристалічних поверхнях, де відкрито світлочутливий компонент.
- Слабке ультрафіолетове світло: слабке ультрафіолетове світло призводить до руйнування менших нанолистів, тоді як більші ростуть вертикально в тривимірні нанокристали. Це відбувається через процес, званий рекристалізацією Оствальда, під час якого дрібніші структури розчиняються та перевідкладаються на більші, спричиняючи їх зростання. HS-AFM зафіксував цей процес у реальному часі, включаючи утворення нових кристалів та їх зростання на існуючих структурах.
Чому це важливо
Це дослідження демонструє, що можна створювати молекулярні системи, які адаптують свою структуру залежно від зовнішніх енергетичних рівнів. На відміну від більшості матеріалів, які потребують постійного надходження енергії для підтримки нерівноважних станів, ця система реагує на зміни надходження енергії. Це може призвести до створення матеріалів, які динамічно змінюють свої властивості – такі як провідність, гнучкість або реакційна здатність – у відповідь на світло, температуру або інші фактори навколишнього середовища.
Цей рівень контролю над молекулярними агрегатами відкриває можливість створювати розумні матеріали, які імітують адаптивність біологічних систем.
