Forskare vid University of Tsukuba har utvecklat en ny typ av färgskiftande kristallint material som kan användas för att indikera närvaron av vatten. Nyansförändringen är tillräckligt dramatisk för att bli upptagen av det ohjälpade mänskliga ögat. Detta arbete kan leda till skapandet av mycket känsliga "vapokroma" sensorer som kan visa om en viss gas eller vattenånga är närvarande utan behov av extern ström.

Kemiska sensorer är viktiga för många industriella processer. För att säkerställa säkerhet och effektivitet, fabriker måste ofta övervakas för potentiellt giftiga gaser eller till och med överdriven luftfuktighet. Sensorer för vattenånga är särskilt viktiga, men kan ha begränsad livslängd eller kräva extern ström. För att ta itu med detta, forskare vid University of Tsukuba har uppfunnit ett nytt kristallint material som ändrar färg när det utsätts för vattenånga. Inuti kristallen, långa förgrenade molekyler som kallas dendrimerer hålls samman av van der Waals krafter.

"De aromatiska karbazoldendrimererna som innehåller kolringar är förankrade i en dibensofenazinkärna, "förklarar seniorförfattaren professor Yohei Yamamoto." Intressant nog, även om van der Waals styrkor vanligtvis anses vara relativt svaga, kristallen förblir samman under drift."

Forskargruppen har också omfattande karaktäriserat det nya materialet. Förutom att studera färgen i både det hydratiserade och dehydrerade tillståndet med hjälp av spektroskopi, forskarna använde tekniker inklusive enkristall- och pulverröntgendiffraktionsanalys, samt termogravimetrisk analys. På grundval av de experimentella resultaten och teoretiska densitetsfunktionella beräkningar, de kunde bestämma den molekylära mekanismen som var ansvarig för de olika utseenden under olika vattenkoncentrationer. Kristallens färgskiftande egenskaper kommer från konformationsförändringar i dendrimererna. Vid exponering för vattenånga, planen för de yttersta karbazolenheterna i kristallen vrider sig samtidigt. Denna rörelse förändrar energierna i de elektroniska orbitalen, vilket gör att elektronerna absorberar olika färger av ljus.

"Vi tror att våra fynd kommer att leda till ytterligare utforskning av van der Waals porösa kristaller, ungefär som metallorganiska ramverk som har hittat en plats inom kemi, "Professor Yamamoto säger." Detta arbete kan leda till en ny klass av gassensorer som kan fungera på svåråtkomliga platser, eftersom de inte kräver extern ström."