Ett forskarlag vid Ehime University fann ett drastiskt förstärkt ringöppningsreaktionsutbyte i vattenhaltiga nanopartikelkolloider av en fotokrom diaryleten när den induceras av en intensiv nanosekundlaserpuls, och förtydligade dess förstärkningsmekanism. Resultaten publicerades den 4 juli, 2020, i Kemisk kommunikation och dök upp på baksidan av tidskriften.

Organiska molekyler i ett fast ämne har en annan miljö än en molekyl i lösning på grund av de begränsade molekylära rörelserna/vibrationerna och de elektroniskt ömsesidiga interaktionerna mellan närliggande molekyler. De organiska fasta ämnena förväntas uppvisa olika fotokemiska reaktioner och fotofysiska egenskaper från lösningen. Framförallt, ljusbestrålning med hög fotondensitet såsom en ultrakort pulslaser till det fasta ämnet tillåter interaktioner mellan multikromoforer och multifotoner, leder till nya fotokemiska reaktioner som inte kan realiseras med konventionell ljusbestrålning.

I den här studien, forskare fokuserade på ett diaryletenderivat som ett organiskt fast prov. Diaryletenderivat, först syntetiserad av Prof. Irie vid Kyushu University visar en fotoinducerad reversibel transformation mellan en färglös öppen form och en färgad sluten form. Den kemiska bindningsomläggningen under fototransformationen inducerar snabbt inte bara färgförändringen utan också av olika fysikaliska och kemiska egenskaper såsom fluorescensspektra, brytningsindex, oxidations-/reduktionspotentialer, och kirala egenskaper. Nyligen, många forskare i världen rapporterade att diaryletenkristaller visade fotomekaniska funktioner genom att utnyttja deras formförändringar såsom expansion/krympning, och böjning och curling av ljus. Därför, diaryletenderivat har väckt stor uppmärksamhet som nästa generations fotoenergiomvandlingsmaterial.

I den här studien, forskare framställde vattenhaltiga nanopartikelkolloider av ett diaryletenderivat i sluten form genom återutfällningsmetoden, och undersökte ringöppningsreaktionsutbytet från slutna till öppna former efter bestrålning av en nanosekundlaserpuls med en enda skott (excitationsvåglängd; 532 nm, Pulsvaraktighet; 6 ns). Som ett resultat, reaktionsutbytet av nanopartiklarna visade en tredje ordningens ökning med laserfluensen, medan den för lösningen ökade monotont. Det är, forskare fann för första gången att den icke-linjära ökningen av reaktionsutbytet av nanosekundlaserpulsen endast observerades i nanopartikeln. Mekanismen för den förstärkta ringöppningsreaktionen kan förklaras av en "fotosynergetisk effekt" i kombination med fototermisk omvandling i nanoskala och den fotokemiska reaktionen i en nanopartikel, på basis av resultaten av steady-state och tidsupplösta spektroskopier.

Till skillnad från den enkla temperatureffekten, laseruppvärmningseffekten i nanoskala, d.v.s. fototermisk omvandling av den exciterade molekylen och termisk ledning på nanometerlängdskalan, spelar en viktig roll. I korthet, en molekyl i sluten form exciterad av en foton i en ns-puls som värms upp omgivande molekyler (genererar ett hett kluster bestående av flera molekyler med höga temperaturer). När en annan molekyl i det heta klustret absorberar en annan foton med samma puls, den förstärkta ringöppningsreaktionen skulle äga rum under sådana övergående högtemperaturförhållanden.

Denna process beror på den ömsesidiga interaktionen mellan en multikromofor och en multifoton, som kan induceras av kombinationen av ett organiskt fast ämne med hög molekyldensitet och en ns laserpuls med hög fotondensitet. Dessa resultat kommer att fördjupa förståelsen av det "fotosynergetiska svaret" som är karakteristiskt för nya laserinducerade reaktioner av fasta fotofunktionella material.