Många naturliga och syntetiska kemiska system reagerar och ändrar sina egenskaper i närvaro av vissa typer av ljus. Dessa reaktioner kan uppstå för snabbt för att vanliga instrument ska kunna se. För första gången, forskare antog en ny teknik för att observera reaktionerna i hög hastighet. En speciell typ av reaktion som observeras med denna metod kan leda till ny optisk nanoteknik.

I kemi, molekyler kan manipuleras på olika sätt för att producera olika saker. Isomerisering, till exempel, är en process som ändrar arrangemanget av en molekyl men lämnar ingående atomer som de är. Processen finns i naturliga system som ögats näthinna, och artificiella system som vissa typer av kemisk syntes. I många fall gör isomerisering i huvudsak en viss region av molekyler antingen mer eller mindre ordnad.

Fotoisomerisering är en typ av isomerisering som aktiveras av ljus och den sker snabbare än ett ögonblick. Professor Takashi Kato från Institutionen för kemi och kollegor utsatte flytande kristallmolekyler av den kemiska föreningen azobensen för specifika frekvenser av UV-ljus. Fotoisomeriseringen av en enda azobensenmolekyl sker vanligtvis på en tidsskala av hundratals femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund). Det är ungefär en miljarddel till en biljondel av tiden det vanligtvis tar dig att blinka! Forskarna fann att molekylen sedan utlöser molekylära interaktioner i flytande kristaller på tidsskalor av hundratals pikosekunder (biljondelar av en sekund).

"Vi har visat hur man ändrar formen på azobensenmolekyler från en rak stavform till en lätt böjd form i en process som utlöses av fotobestrålning av UV-ljus. Denna böjning kan översättas till någon mekanisk eller elektronisk funktion, " sa Kato. "Reaktionen fortplantar sig genom närliggande molekyler i provet, vilket betyder att det är en extremt effektiv process."

Denna reaktion sker inte isolerat, dock; det förekommer i ett prov av mjuk materia vars funktion beror på de ingående molekylerna och deras beteenden. I detta fall, mjuk materia kan betyda allt från en konstgjord muskel till flexibla fotografiska sensorer eller till och med saker som ännu inte föreställts. Det viktiga faktum är att den initiala reaktionen som vanligtvis bara tar hundratals femtosekunder initierar en reaktion i den omgivande mjuka materien på cirka hundra pikosekunder, och gör det effektivt.

"Detta är den snabbaste intermolekylära rörelsen som någonsin observerats inom mjuk materia. Det vi ville observera var faktiskt så snabbt att vi var tvungna att använda några mycket specialiserade metoder för att skaffa data och för att visualisera vad som hände under dessa minimala tidsramar, " fortsatte Kato. "Detta hade inte varit möjligt utan några unika handgjorda spektralinstrument gjorda av min kollega docent Masaki Hada från University of Tsukuba."

Metoderna är kända som ultrasnabb transient transmissionsspektroskopi, vilket är ett korrekt sätt att registrera sammansättningen av ett molekylärt prov, och ultrasnabb tidsupplöst elektrondiffraktion, vilket är analogt med en röntgen och är hur bilder av reaktionen observerades. Observera att båda metoderna kallas "ultrasnabb, " vilket bara visar att andra metoder inte skulle ha varit tillräckliga för att fånga data med den tidsupplösning som forskarna önskade.

"Jag har arbetat med beställda molekylära sammansättningar som självmonterande system i mer än 35 år som kemist sedan jag var doktorand. Denna forskning främjar den grundläggande kemin hos fotoresponsiva molekyler i mjuk materia såväl som deras ultrasnabba fotomekaniska tillämpningar, " avslutade Kato. "Det är ett verkligt privilegium för mig själv och kollegor att arbeta med den här typen av projekt. Vi hoppas att detta kan bidra till designen av molekylärt baserade material som mjukkroppsmekanismer och fotofunktionella material."