Zespół badaczy z Chiba University zaprezentował system, którego dotąd nie było: niebiologiczny materiał zdolny adaptować swój kształt w zależności od natężenia światła. Oznacza to, że polimer może sam przełączać się między strukturą jednowymiarową, dwuwymiarową i trójwymiarową. Nie chodzi przy tym o pasywne “puchnięcie” czy zwykłą deformację – to w pełni kontrolowane, powtarzalne przejścia, które przypominają zachowanie żywych organizmów reagujących na ilość dostarczonej energii.
Czytaj też: Naukowcy zaobserwowali taniec atomów. Światło zmienia materiały kwantowe nie do poznania
Inspiracją do badań był problem, który od lat dręczy chemików i fizyków: jak tworzyć struktury istniejące w stanie poza równowagą termodynamiczną, które mimo niestabilności potrafią reagować na sygnały z otoczenia. Dotychczas takie układy zwykle wymagały ciągłego, jednolitego dostarczania energii z zewnątrz. Teraz pojawił się system, który nie tylko reaguje, ale rozróżnia ile energii otrzymuje – i podejmuje decyzję o swoim kształcie. Szczegóły opisano w Chem.
Ten materiał sam zmienia kształt, ale trzeba mu pomóc
Kluczem okazała się specjalnie zaprojektowana cząsteczka łącząca dwa motywy chemiczne. Pierwszy – azobenzen – działa jak molekularny przełącznik, zmieniający konfigurację pod wpływem światła. Drugi – rdzeń merocyjaninowy oparty na kwasie barbiturowym – stabilizuje różne typy struktur supramolekularnych. Połączenie obu umożliwiło uzyskanie fenomenalnej cechy: supramolekularnej polimorfii kontrolowanej światłem, czyli zdolności materiału do układania się w różne formy w zależności od parametrów naświetlania.
Czytaj też: Odkryto materiał łamiący prawa fizyki. Izolator przewodzi prąd wbrew wszystkim teoriom
W warunkach spoczynkowych materiał samoorganizuje się w spiralne nanowłókna 1D, które następnie, niczym dojrzewająca tkanka, przechodzą w bardziej stabilne nanowarstwy 2D. To punkt wyjścia – a potem zaczyna się właściwe widowisko.
Po poddaniu warstwy 2D działaniu intensywnego promieniowania UV materiał cofa się do swojej pierwotnej struktury 1D. Badacze wykorzystali szybki mikroskop AFM, by uchwycić ten moment: światło aktywuje fotoizomeryzację azobenzenu, a ta z kolei rozrywa sieć wiązań wodorowych stabilizujących arkusze 2D. Co ważne – proces zachodzi tylko tam, gdzie światło dociera najmocniej, na odsłoniętych fasetach kryształów. To pierwszy przypadek tak selektywnego “odwijania” nanostruktur przez światło.
Jeszcze ciekawsze rzeczy dzieją się, gdy materiał oświetli się słabym UV. Zamiast powrotu do 1D następuje coś zupełnie innego: mniejsze nanosheety ulegają rozpadowi, a większe zaczynają rosnąć w górę, tworząc mikroskopijne, trójwymiarowe nanokrystality. To klasyczny mechanizm wzrostu znany z fizyki – dojrzewanie Ostwalda – ale tutaj uruchamiany precyzyjnie przez światło.
Prof. Shiki Yagai, współautor pracy, podkreśla, że od lat próbowali opracować system zdolny do takiej adaptacji. Teraz w końcu im się udało:
Nie mieliśmy wcześniej materiału, który – jak organizmy żywe – zmieniałby swoją strukturę w zależności od ilości otrzymanej energii. Aż do teraz.
To otwiera drzwi do kategorii materiałów, które mogłyby samodzielnie zmieniać swoją sztywność, kształt i orientację, dynamicznie dostosowywać się do warunków środowiskowych oraz reagować odmienną funkcją w zależności od rodzaju bodźca. Mówimy o fundamentach dla przyszłej robotyki miękkiej, inteligentnej elektroniki, fotoadaptacyjnych powierzchni, a nawet systemów leczenia dostosowujących się do pacjenta.
Zdaniem zespołu z Chiba University kolejny krok to wbudowanie dodatkowych funkcji bezpośrednio w molekuły: zdolności katalitycznych, elektromechanicznych czy jeszcze bardziej złożonych fotoreakcji. Wtedy materiały mogłyby nie tylko zmieniać kształt, ale także samodzielnie sterować swoją aktywnością – na przykład uwalniać lek, gdy światło jest słabe, i usztywniać się, gdy jest mocne.