Muchos sistemas químicos naturales y sintéticos reaccionan y cambian sus propiedades en presencia de ciertos tipos de luz. Estas reacciones pueden ocurrir demasiado rápido para que los instrumentos ordinarios las vean. Por primera vez, Los investigadores adoptaron una técnica novedosa para observar las reacciones de alta velocidad. Un tipo especial de reacción observada con este método podría conducir a una nueva nanotecnología óptica.

En Quimica, las moléculas se pueden manipular de diferentes formas para producir diferentes cosas. Isomerización, por ejemplo, es un proceso que cambia la disposición de una molécula pero deja los átomos constituyentes como están. El proceso se encuentra en sistemas naturales como la retina del ojo, y sistemas artificiales como ciertos tipos de síntesis química. En muchos casos, la isomerización esencialmente hace que una región particular de moléculas esté más o menos ordenada.

La fotoisomerización es un tipo de isomerización que se activa con la luz y tiene lugar más rápido que un abrir y cerrar de ojos. El profesor Takashi Kato del Departamento de Química y sus colegas sometieron moléculas de cristal líquido del compuesto químico azobenceno a frecuencias específicas de luz ultravioleta. La fotoisomerización de una sola molécula de azobenceno ocurre típicamente en una escala de tiempo de cientos de femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo). ¡Eso es aproximadamente una mil millonésima a una billonésima del tiempo que normalmente le toma parpadear! Los investigadores encontraron que la molécula desencadena interacciones moleculares en cristales líquidos en escalas de tiempo de cientos de picosegundos (billonésimas de segundo).

"Hemos demostrado cómo cambiar la forma de las moléculas de azobenceno de una forma de varilla recta a una forma ligeramente doblada en un proceso desencadenado por la fotoirradiación de luz ultravioleta. Esta flexión podría traducirse en alguna función mecánica o electrónica, ", dijo Kato." La reacción se propaga a través de moléculas vecinas en la muestra, lo que significa que es un proceso extremadamente eficiente ".

Esta reacción no se produce de forma aislada, sin embargo; ocurre dentro de una muestra de materia blanda cuya función depende de las moléculas constituyentes y sus comportamientos. En este caso, La materia blanda podría significar cualquier cosa, desde un músculo artificial hasta sensores fotográficos flexibles o incluso cosas que aún no se han imaginado. El hecho importante es que la reacción inicial, que generalmente toma solo cientos de femtosegundos, inicia una respuesta en la materia blanda circundante en alrededor de cien picosegundos. y lo hace de manera eficiente.

"Este es el movimiento intermolecular más rápido jamás observado dentro de la materia blanda. De hecho, lo que queríamos observar era tan rápido que tuvimos que usar algunos métodos muy especializados para adquirir datos y visualizar lo que sucedió durante estos minúsculos marcos de tiempo". "continuó Kato." Esto no habría sido posible sin algunos instrumentos espectrales únicos hechos a mano por mi colega, el profesor asociado Masaki Hada de la Universidad de Tsukuba ".

Los métodos se conocen como espectroscopia de transmisión transitoria ultrarrápida, que es una forma precisa de registrar la composición de una muestra molecular, y difracción de electrones ultrarrápida de resolución temporal, que es análogo a una radiografía y es cómo se observaron las imágenes de la reacción. Tenga en cuenta que ambos métodos se denominan "ultrarrápidos, "lo que demuestra que otros métodos hubieran sido insuficientes para capturar datos con la resolución de tiempo que los investigadores deseaban".

"He trabajado en conjuntos moleculares ordenados, como sistemas de autoensamblaje, durante más de 35 años como químico desde que era un estudiante de posgrado. Esta investigación avanza la química fundamental de las moléculas fotosensibles en materia blanda, así como sus aplicaciones fotomecánicas ultrarrápidas, "concluyó Kato." Es un verdadero privilegio para mí y para mis colegas trabajar en este tipo de proyecto. Esperamos que esto pueda contribuir al diseño de materiales de base molecular, como mecanismos de cuerpo blando y materiales fotofuncionales ".