Ett team av forskare från Waseda University i Tokyo och Rigaku Corporation har upptäckt en ny typ av strukturell fasövergång för organiska kristaller som kallas den fotoutlösta fasövergången. Hideko Koshima, en gästprofessor vid Wasedas forskningsorganisation för Nano &Life Innovation och ledande författare till studien, säger, "Fasövergångsmekanismer används ofta i minnet, växla, och aktiveringsmaterial, och vi tror att denna upptäckt av en ny fasövergång har potential för både grundläggande vetenskap och tillämpningsområden. "
Deras studie publicerades i Kommunikationskemi den 20 februari, 2019.
Framkallad av yttre stimuli som temperatur, tryck, elektromagnetiska fält och ljus, en strukturell fasövergång är ett fenomen som förändrar de fysikaliska egenskaperna och funktionerna hos material i fast tillstånd. Till exempel, forma minneslegeringar, som har tillämpningar inom robotik och bilindustrin, flyg- och biomedicinsk industri, återfå sin form vid uppvärmning på grund av martensitiska övergångar. Under de senaste åren har organiska kristaller har ansetts vara kandidater som material för nästa generations ställdon på grund av deras mjukhet och låga vikt.
Före denna studie, laget rapporterade en mekanisk kristall som böjer sig med exponering för ljus, samt en robotkristall som "går och rullar" när den värms och kyls. Aktiveringen av dessa kristaller kan förklaras respektive med en fotokrom reaktion, känd som fotoisomerisering, och strukturell fasövergång. För att diversifiera rörelserna hos sådana kristaller, forskare har letat efter organiska kristaller som uppvisar båda fenomenen.
Att hitta sådana kristaller är ingen lätt uppgift, som kräver prov och fel. Dock, när laget studerade den fotokroma kirala salicylideneaminkristallen, inte bara fann de att det uppvisar båda fenomenen, men upptäckte också den nya strukturella fasövergången. "Vi snubblade av misstag över den fotoutlösta fasövergången av den fotokroma kirala salicylideneaminkristallen, som uppvisar en termisk fasövergång som är reversibel vid uppvärmning och kylning, "förklarar professor Koshima." Vid bestrålning av denna kristall med ultraviolett ljus vid -50 grader C, en temperatur lägre än dess termiska övergångstemperatur (40 grader C), vi fann från en röntgenkristallografisk analys att kristallen genomgår transformation identisk med den för en termisk fasövergång. "
Teamet fick också veta att den fotoutlösta fasövergången sker på grund av molekylstammen som bildas av fotoisomerisering, och Koshima tillägger att den fotoutlösta fasövergången skiljer sig från en fotoinducerad fasövergång, som har dykt upp i andra publikationer. "Kristallfasen på grund av den fotoinducerade fasövergången visas endast genom ljusbestrålning, som förändrar kristallernas elektriska och/eller magnetiska egenskaper inom femto- eller picosekunder. I den bildutlösta fasövergången, kristallfasen som utlöses av ljus är identisk med den via termisk fasövergång, framkallas genom uppvärmning, men unik med avseende på dess molekylära konformation, " hon säger.
Eftersom den fotoutlösta fasövergången induceras av ljusbestrålning och inte kräver uppvärmning och kylning för att strukturfasövergången ska ske, teamets resultat kan "leda till en ny strategi för att bredda tillämpningen av fotoreaktiva fasta ämnen" och bidra till forskning och utveckling av nästa generations avkänning, växlande, minne, och ställdon som möjliggör fjärrkontroll och/eller lokal drift med ljus.
Teamet planerar nu att mäta och kvantitativt utvärdera storleken på kristallens stam orsakad av fotoisomerisering, systematiskt undersöka om den fotoutlösta fasövergången sker i andra kristaller med hjälp av materialinformatik, och förtydliga dess villkor.
