فهرست مطالب
محققان مادهای ساختهاند که با نور بین ساختارهای یکبعدی، دوبعدی و سهبعدی جابهجا میشود و راه را برای نسل جدید مواد هوشمند باز میکند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، در آینده ممکن است شاهد حضور موادی باشیم که بتوانند به صورت دلخواه خود را بازپیکربندی کنند و همانند موجودات زنده، ساختار و ویژگیهای خود را تطبیق دهند.
یک تیم از دانشمندان ژاپنی سیستم جدیدی از پلیمرهای فوقمولکولی ارائه کردهاند که با تغییر شدت نور قادر است بین ساختارهای مختلف جابهجا شود. پژوهشگران دانشگاه چیبا بیان کردند که این دستاورد میتواند سرآغاز نسل تازهای از مواد هوشمند و سازگار باشد، چرا که اغلب مواد فعلی پس از شکلگیری، به حالت ثابت باقی میمانند. این تحقیق نشان میدهد که یک سیستم غیرزیستی میتواند بسته به میزان انرژی دریافتی، ساختار یا حالت خود را تغییر دهد؛ پدیدهای که یادآور رفتار شگفتانگیز موجودات زنده است.
تغییرات در شدت نور
این مطالعه یکی از چالشهای کلیدی در علم مواد را هدف قرار داده است: خلق مجموعههای مولکولی خارج از تعادل، نظیر ساختارهایی که فراتر از حالت پایدار ترمودینامیکی خود عمل میکنند. در حالی که تحقیقات پیشین با استفاده از انرژی خارجی چنین حالاتی را ایجاد کردهاند، تنها تعداد کمی از سیستمها توانستهاند بهطور تطبیقی به میزان انرژی دریافتی واکنش نشان دهند.
پروفسور شیکی یگای از محققان این پروژه گفت: «گروه ما سالها است در پی تحقیقات منحصربهفردی میباشد که هدف آن کنترل مورفولوژی مجموعههای مولکولی از مقیاس نانو تا مزوسکال با کمک نور است.»
وی تصریح کرد: «اما تا پیش از این، هیچ سیستمی خارج از تعادل نداشتیم که همانند موجودات زنده، بسته به میزان انرژی دریافتی، ساختار یا حالت خود را تغییر دهد.»
کلید این نوآوری در مولکولی نهفته است که واحد حساس به نور «آزوبنزن» را با هسته «مروسیانین مبتنی بر اسید باربیتوریک» ترکیب میکند. این ترکیب ویژه به ماده امکان پلیمورفیسم فوقمولکولی میدهد؛ توانایی شکلگیری ساختارهای مختلف که با نور فعال و کنترل میشوند. در مراحل اولیه، مولکولهای سنتزشده خودبهخود به نانوالیافهای یکبعدی مارپیچی تبدیل میشوند. اما با قرار گرفتن در نور محیط، بهطور طبیعی به نانوشیتهای دوبعدی پایدارتر تغییر میکنند. اینجا نقطه آغاز جادوی نور در تغییر ساختار است.
حتما بخوانید: دانشمندان اثر شگفتانگیز لیزر بر ساختار ماده را آشکار کردند
بیشتر بخوانید: ساخت ساختارهای هوشمند با DNA که نور، صوت و ماده را کنترل می کنند
مواد هوشمند چگونه تغییرشکل میدهند؟
زمانی که نانوشیتهای دوبعدی در معرض نور فرابنفش قوی قرار گرفتند، محققان شاهد تغییر چشمگیری بودند: ماده به نانوالیافهای یکبعدی خطی بازگشت. میکروسکوپ نیروی اتمی (HS-AFM) نشان داد که این بازگشت نتیجه ایزومریزاسیون نوری واحد آزوبنزن است، که پیوندهای هیدروژنی نگهدارنده نانوشیتها را مختل میکند. جالب است که این تغییر بیشتر در وجههایی از نانوکریستالها رخ داد که بیشتر در معرض نور قرار داشتند.
در مقابل، نور فرابنفش ضعیف مسیر کاملا متفاوتی ایجاد کرد. مشاهدات TEM و AFM نشان داد که نانوشیتهای کوچک حل شدند و نانوشیتهای بزرگتر به صورت عمودی رشد کردند و نانوکریستالهای سهبعدی پیچیدهای شکل گرفتند. این فرایند که به آن رشد استوالد (Ostwald ripening) گفته میشود، شامل حل شدن ساختارهای کوچک و رسوب مجدد آنها روی ساختارهای بزرگتر است. HS-AFM این فرایندهای موضعی، از جمله هستهزایی ثانویه و رشد اپیتاکسیال را با جزئیات دقیق ثبت کرد.
پروفسور یگای عنوان کرد: «این سیستم فوقمولکولی خارج از تعادل مسیر را برای توسعه موادی باز میکند که همانند موجودات زنده میتوانند در واکنش به محرکهای خارجی، حالت خود را تغییر دهند.»
وی توضیح داد: «با وارد کردن عملکردهای فعال نوری، الکتریکی یا حتی کاتالیزوری به طراحی مولکولی، میتوان سیستمهایی خلق کرد که عملکرد آنها بهطور خودکار با تغییرات محیطی سازگار شود.»
این پژوهش چشماندازی تازه به نسل جدید مواد هوشمند باز میکند؛ از سطوح خودترمیمشونده و حسگرهای پویا تا سامانههای تطبیقپذیر دارورسانی و فناوریهای برداشت انرژی، که قادر هستند به محیط پیرامون خود واکنش نشان دهند.
نتایج این مطالعه در ۱۷ نوامبر در مجله Chem منتشر شد.
