Пары газа позволяют обратимо переключать свойства нового умного материала
Учёные разработали обратимую систему, свойства которой можно переключать с помощью паров. Новый метод позволяет по требованию изменять физические и оптические характеристики материала — от его агрегатного состояния и цвета до способности светиться в темноте.
Исследование провели специалисты Университета Нагоя и Киотского университета в Японии. Разработанная система демонстрирует, как изменения на молекулярном уровне можно преобразовать в заметные изменения свойств материала на макроскопическом уровне.
В основе технологии лежит так называемая химия «хозяин — гость». В таких системах две разные молекулы соединяются друг с другом за счёт физических взаимодействий, не образуя постоянных химических связей.
Исследователи объединили два основных компонента. Первый представляет собой небольшую циклическую молекулу, имеющую форму полой трубки и выполняющую роль «хозяина». Второй — функциональная молекулярная жидкость, или FML, состоящая из длинных цепочечных углеродных фрагментов.
В отличие от обычных жидкостей, функциональные молекулярные жидкости обладают дополнительными оптическими, электронными и каталитическими свойствами и практически не испаряются.
Когда два компонента смешиваются, углеродные цепочки FML самопроизвольно входят внутрь центральной полости молекулы-хозяина, подобно нити, продеваемой в игольное ушко. В результате образуется комплекс, напоминающий по форме гантель.
При этом материал практически мгновенно меняет цвет с ярко-жёлтого на тёмно-красный и превращается из жидкости в твёрдое вещество. Одновременно полностью прекращается его способность к фосфоресценции при комнатной температуре — мягкому длительному свечению в темноте.
Однако это изменение полностью обратимо. Если получившийся красный твёрдый материал подвергнуть воздействию паров гексана, молекулы этого вещества начинают конкурировать с FML за полости молекул-хозяев.
Молекулы гексана заполняют эти полости и вытесняют из них функциональную молекулярную жидкость. Освободившись от молекулярной «клетки», FML вновь становится жидкостью, материал меняет цвет обратно на жёлтый, а его способность светиться в темноте восстанавливается.
«Мы столкнулись с несколькими неожиданными результатами. Сначала мгновенное изменение цвета FML на красный после смешивания с молекулой-хозяином вызвало у нас беспокойство. Мы не ожидали настолько резкого изменения цвета и тем более полного исчезновения фосфоресценции, поэтому я подумал, что вещество разложилось. К счастью, пары гексана, как и ожидалось, освободили FML», — рассказал доцент Университета Нагоя Ёсукэ Тани.
После удаления гексана с помощью вакуума система вновь возвращается в исходное состояние — твёрдое красное вещество. Исследователи смогли наблюдать происходящие микроскопические преобразования в реальном времени, а точную трёхмерную структуру образовавшегося комплекса подтвердили с помощью микроэлектронной дифракции кристаллов, или MicroED.
Одной из главных задач супрамолекулярной химии является создание связи между поведением отдельных молекул и свойствами материала, которые можно наблюдать невооружённым глазом. На молекулярном уровне атомы взаимодействуют благодаря чрезвычайно слабым силам притяжения, электростатическим взаимодействиям и точному соответствию геометрических структур.
На макроскопическом уровне эти взаимодействия могут определять совершенно иные характеристики вещества — будет ли оно жидким или твёрдым, какого цвета окажется материал и способен ли он светиться в темноте.
Главная сложность заключается в усилении эффекта. Учёным необходимо добиться того, чтобы триллионы небольших и обратимых молекулярных изменений происходили согласованно и вызывали быстрое преобразование, заметное уже на уровне всего материала.
Обычно небольшие изменения структуры отдельных молекул теряются при переходе к большим объёмам вещества. Новая система показывает, что при правильной организации супрамолекулярных взаимодействий можно добиться точного управления материалом с помощью простых внешних воздействий, например кратковременного контакта с парами газа.
Разработанная система «хозяин — гость» может стать основой для нового поколения интеллектуальных материалов, способных реагировать на изменения окружающей среды.
В будущем подобные технологии могут найти применение в перезаписываемой оптической памяти, защитных метках с функцией обнаружения газов и адаптивной мягкой робототехнике, способной по требованию изменять жёсткость своей конструкции.
Исследование в журнале Chemical Science.