Forskare har utvecklat en algoritm för fotokemi, att föra det växande fältet ett steg närmare målet att använda olika färger av ljus som en strömbrytare för att aktivera en rad olika kemiska reaktioner i ett enda material.

En QUT-forskargrupp, bestående av Ph.D. student Jan Philipp Menzel, Professor Christopher Barner-Kowollik och docent James Blinco, tillsammans med Dr. Benjamin Noble från RMIT, har publicerat sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

I deras studie, Förutsäger våglängdsberoende fotokemisk reaktivitet och selektivitet, forskarna har skisserat ett prediktivt verktyg så att forskare kan förutbestämma hur mycket ljus som behövs för att producera vissa resultat av fotokemiska reaktioner.

Förste författaren Mr Menzel genomförde en serie experiment med laser, arbetade sig upp i spektrumet med nanometerprecision för att registrera resultaten.

"Vårt mål var att förstå hur molekylerna fungerar och hur vi kan förutsäga hur mycket som kommer att reagera, när man använder olika ljusfärger", sa Menzel.

Professor Blinco sa att studien syftade till att ge den typ av information som forskare som framkallar reaktioner genom att justera temperaturen skulle ha.

"Med en normal reaktion skulle du förmodligen använda värme - vi gör det med ljus, " sa professor Blinco.

"Så istället för att behöva förutsäga hur mycket energi du behöver lägga in genom värme, det handlar om att förutsäga hur mycket energi vi behöver lägga in genom ljus.

"Med kemiska reaktioner som drivs av värme, om du värmer upp det mer, då går reaktionen potentiellt snabbare. Med ljusinducerade reaktioner, vi har fördelen att vi kan använda alla regnbågens färger, och fotoner med de olika färgerna har olika energier.

"Så det betyder att du har en mycket finare inställning i att kunna ringa in detaljerna i din reaktion."

Menzel sa att ultraviolett ljus (fotoner med kort våglängd) hade tillräckligt med energi för att orsaka reaktioner som kan, till exempel, leda till hudcancer, medan synligt ljus (fotoner med en längre våglängd) inte kunde. Liknande, ändra antingen energin hos fotoner och deras intensitet, som att justera en dimmer, orsakade antingen en starkare reaktion eller ingen kemisk reaktion alls.

Australian Research Council (ARC) pristagare professor Barner-Kowollik, en världsledande nanoteknolog för mjuk materia vars karriär är fokuserad på ljusets kraft och möjligheter inom makromolekylär kemi, sa att det långsiktiga målet var "selektivitet för kirurgisk reaktion".

"En av nyckelfrågorna inom fotokemi är:Hur kan du välja ljusfärger så att de påverkar de material som finns på olika sätt, "Professor Barner-Kowollik sa.

"Med vilken typ av ljus kan jag bara aktivera reaktant A, och vilken ljusfärg måste vi använda för att aktivera reaktant B utan att påverka reaktant A.

"Med vår algoritm, forskare kan använda ljus för att fjärrstyra vilket material som skapas, växla från ett material till ett helt annat genom att slå på och av varje ljuskälla.

"Ljusets kraft förändrar sättet vi tillverkar nästa generations material för hälsa, rörlighet och den digitala världen, utnyttjar dess allestädes närvarande natur och precisionen hos lasrar."

Medan forskarna för närvarande fokuserar på den molekylära nivån, den stora bilden är hur olika färger (våglängder) av ljus kan användas i framtiden för att skapa en serie reaktioner i ett material.

Professor Barner-Kowollik säger att den grundläggande vetenskapen kan användas i framtida generationer av 3D-skrivare som skapar mycket små strukturer.

"Föreställ dig en skrivare som använder olika färger av ljus för att aktivera olika element när den behöver skriva ut saker - som invecklade strukturer inom biomedicinska områden - med olika egenskaper, som hård eller mjuk, eller ledande eller isolator, " sa professor Barner-Kowollik.

"Sci-fictionen av det, är att skrivaren väljer från 10 olika ljusfärger, för att skriva ut alla egenskaper. Men för det måste du ha selektivitet. "

Professor Barner-Kowollik sa att en av utmaningarna han skulle vilja övervinna under de kommande fem åren skulle vara att etablera flerfärgs 3D-laserlitografi för att tillåta 3D-utskrift av olika materialegenskaper med endast ett tryckharts (bläck).

"Det skulle kanske vara den mest kritiska utmaningen inom 3D-utskrift, vilket skulle kräva att kemiska reaktioner kan våglängd selektivt behandlas av olika ljusfärger i tvåfotonprocesser, " sa professor Barner-Kowollik.

"Det är science fiction för närvarande, men med enorma konsekvenser om det lyckas."