Kugghjul är en viktig komponent i vardagliga maskiner. Möjligheten att växla, som i en bil, tillåter kontroll av graden eller riktningen av rörelse som genereras, vilket gör maskinerna mer mångsidiga.
Nu har ett team ledd av forskare vid Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) vid Hokkaido University rapporterat en ny designstrategi för att realisera växlar i molekylstorlek i kristaller och det första exemplet på kontrollerbar molekylväxling i en fast material.
De utvecklade ett kristallint material som innehåller kugghjulsliknande molekyler som kan växlas reversibelt mellan två typer av rörelse. Designprincipen ger en plan för utvecklingen av mångsidiga, nya material. Studien publiceras i Journal of the American Chemical Society .
Forskare använde en kugghjulsformad molekyl som kallas triaryltriazin, som har en central triazinring med tre fenylenringar fästa vid den - som fungerar som tänderna på ett kugghjul. Genom att fästa skrymmande, stationära molekyler till fenylenringarna inducerade forskarna ett "kopplingsstack"-arrangemang, där intilliggande triaryltriazinmolekyler roteras 60° från varandra, snarare än att staplas i samma orientering.
"Utformningen av kopplingsstapeln inspirerades av det mekaniska maskinsystemet för kopplingen i en bil", säger docent Mingoo Jin.
De bifogade stationära molekylerna skapade också tillräckligt med utrymme för de tre fenylenringarna att rotera mellan två positioner i en flaxande rörelse. Kopplingsstackarrangemanget av triaryltriazinmolekylerna gjorde det möjligt för intilliggande molekyler att haka på varandra när fenylenringarna roterade, ungefär som sammankopplade kugghjul. Detta resulterade i den korrelerade rörelsen av alla molekyler i stapeln.
När temperaturen höjdes över ett visst tröskelvärde observerades en annan korrelerad rörelse, där fenylenringar genomgick en 180° rotation. Denna förändring i rörelse tillskrevs en fasövergång i kristallen som skapade mer utrymme mellan intilliggande molekyler, vilket gav fenylenringarna mer utrymme att rotera.
Forskare fann att denna förändring i rörelse kunde vändas genom att kyla kristallen, vilket markerar första gången en sådan kontrollerbar molekylär rörelse har observerats i ett fast ämne. Effekten av den molekylära växlingen kan finjusteras genom att justera storleken och strukturen på den stationära molekylen som är fäst vid kugghjulsmolekylen. Denna justerbarhet öppnar dörren till utvecklingen av nya funktionella material som utnyttjar kristallina molekylära maskiner.
"Nästa riktning för vår forskning skulle vara att använda inriktad molekylär rörelse i kristaller för att manipulera olika fysikaliska egenskaper hos material i fast tillstånd, såsom ljusemission eller termiskt beteende," sade Jin.
Mer information: Mingoo Jin et al, A Steric-Repulsion-Driven Clutch Stack of Triaryltriazines:Correlated Molecular Rotations and a Thermoresponsive Gearshift in the Crystalline Solid, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c08909
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Hokkaido University
