Forskare vid Nagoya University har utvecklat ett nytt sätt att göra stimuli-känsliga material på ett förutsägbart sätt. De använde denna metod för att designa ett nytt material, en blandning av kolnanoreringar och jod, som leder elektricitet och avger vitt ljus när det utsätts för elektricitet. Teamets nya tillvägagångssätt kan hjälpa till att generera en rad pålitliga stimuli-känsliga material, som kan användas i minnesenheter, konstgjorda muskler och läkemedelstillförselsystem, bland andra applikationer.

Nagoya, Japan – Stimuli-känsliga material ändrar sina egna egenskaper som svar på yttre stimuli, såsom fotobestrålning, värme, tryck och el. Denna funktion kan styras för en mängd olika användningsområden, som i optiska skivor, datorminnen och skärmar, såväl som konstgjorda muskler och läkemedelstillförselsystem.

Forskare har arbetat med att utveckla nya stimuli-känsliga material på ett förutsägbart sätt. Dock, det har varit extremt svårt att designa och kontrollera materialens komplexa molekylära arrangemang.

Nu, en enkel och pålitlig metod för att syntetisera stimuli-känsliga material har utvecklats av ett team ledd av Nagoya Universitys JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project och Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Resultaten av denna studie rapporterades nyligen i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Metoden "responsiv porös värd" tar en molekyl med ett poröst ramverk och binder till den en "gästmolekyl" som sannolikt kommer att reagera på yttre stimuli. I detta fall, teamet fann att [10]cykloparafenylen ([10]CPP), en kolvätemolekyl som består av 10 para-anslutna bensenringar, gjort en idealisk värd i kombination med jod (I). Jod placerade sig inuti de porösa kolringarna, och reagerade på elektrisk stimulering. Det ledde inte bara elektricitet, den avgav också ett vitt ljus, vilket är ovanligt. Vanligtvis, många andra komponenter krävs för att få den vita färgen. Detta visar potentialen i det nya materialet, [10]CPP-I, för nästa generations belysningssystem.

"Denna "responsiva porösa värd"-metoden förväntas vara tillämpbar på olika stimuli, såsom fotobestrålning, värmetillförsel och pH -förändring, och öppna vägen för att ta fram en generisk strategi för utveckling av stimuli-responsiva material på ett kontrollerbart och förutsägbart sätt, " sa Dr Hirotoshi Sakamoto, en gruppledare för JST-ERATO-projektet.

Att syntetisera materialet är förvånansvärt enkelt - forskarna blandade kolnanoringar (CPP) och jod tillsammans, och låt det torka. Röntgenkristallografi bekräftade att jodmolekylerna radas upp inuti den ihåliga kärnan av de inriktade nanoringarna.

Teamet provade flera varianter av blandningen, ändra antalet kolnanoreringar, och fann att 10 ringar ledde till den mest dynamiska jodatomrörelsen och det mest känsliga svaret på yttre miljöförändringar.

När en likström applicerades på [10]CPP-I, provets bulkresistivitet blev ungefär 380 gånger lägre, vilket indikerar att den ledde elektricitet snarare än att motstå elektrisk överföring. Bulkresistiviteten i blandningar med 9 eller 12 nanoringar minskade inte nästan lika mycket. Dessa resultat visar att porstorleken i nanoreringsaggregatet styr svaret på elektrisk stimulering.

"En av de svåraste delarna av denna forskning var att undersöka hur den elektriska ledningsförmågan hos [10]CPP-I aktiveras av elektriska stimuli, " sa Dr Noriaki Ozaki, en postdoktor inom JST-ERATO-projektet. "Även om det bara tog oss ungefär tre månader att syntetisera molekylen och upptäcka dess elektriska stimuli-responsiva egenskaper, det tog ytterligare ett år att upptäcka ursprunget till dess egenskaper."

Teamet kom äntligen på hur den elektriska ledningsförmågan hos [10]CPP-I aktiveras av elektriska stimuli, med hjälp av röntgenabsorption nära kantspektroskopi (XANES), Ramanspektroskopi, och fluorescensspektroskopi. Dessa analyser visade att jodatomerna i kolnanoringarna bildar förlängda polyjodidkedjor när de stimuleras av elektricitet, vilket gav materialet elektrisk ledningsförmåga.

Forskarna upptäckte också att elektriska stimuli kan växla fotoluminescensfärgen på [10] CPP-I från en grönblå färg till en vit färg. Vit luminescens betyder att fluorescensspektrumet för [10]CPP-I täcker hela området för synligt ljus. Spektral breddning tillskrivs den oregelbundna fördelningen av de elektroniska strukturerna hos CPP, som orsakas av bildandet av polyjodidkedjor. Den vita luminescensen hos [10]CPP-I är ett sällsynt exempel på vitt belysningsmaterial från en enda molekylär sammansättning; vit ljusemission uppnås vanligtvis genom att blanda flera komponenter i olika färger.

"Vi var verkligen glada över att utveckla denna enkla men kraftfulla metod för att uppnå syntesen av material med yttre stimuli, "sade professor Kenichiro Itami, chef för JST-ERATO-projektet och centerdirektör för ITbM.