Создание молекулярных сборок, отклоняющихся от термодинамического равновесия, является центральной задачей материаловедения. Множество исследований сообщали о создании таких состояний с использованием внешних источников энергии, таких как химическое топливо или свет. Однако лишь немногие системы могут адаптивно переходить в разные состояния в зависимости от количества вводимой энергии. Разработка таких систем может предложить новые принципы проектирования для передовых функциональных материалов, способных гибко адаптироваться к изменениям окружающей среды, подобно биологическим системам.
В недавнем исследовании, опубликованном онлайн в журнале Chem 17 ноября 2025 года, японские учёные сообщили о супрамолекулярной полимерной системе, которая может создавать состояния, отклоняющиеся от равновесия, с различной размерностью в зависимости от интенсивности применяемого света.
Методы и механизмы
Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), исследовательская группа выявила механизмы, лежащие в основе этих динамических преобразований.
Исследование проводилось под руководством профессора Шики Ягай из Университета Чиба, доктора Кристиана Гансера из Исследовательского центра по изучению жизни и живых систем, Национальных институтов естественных наук, и профессора Масаки Кавано из Института науки Токио, при участии доцента Кента Тамаки из Университета Нагоя (на тот момент связанного с Университетом Чиба).
«Наша группа давно занимается уникальными исследованиями, направленными на управление морфологией молекулярных сборок на нано- и мезоуровне с помощью света», — говорит профессор Ягай. «Однако мы ещё не реализовали систему, отклоняющуюся от равновесия, которая, подобно живым организмам, изменяет свою структуру или состояние в зависимости от количества получаемой энергии. В этом проекте мы предположили, что, включив светочувствительный элемент в молекулу, уже известную своей способностью образовывать различные структуры сборки в разных условиях, мы сможем управлять ею, создавая различные сборки, просто изменяя интенсивность света».
Новые системы
Для создания новой системы команда попыталась интегрировать фотоиндуцированные структурные изменения на молекулярном уровне (фотоизомеризация) с супрамолекулярным полиморфизмом — структурными вариациями на мезоуровне. Они выбрали азобензен в качестве фотопереключающего элемента и барбитуровую кислоту в качестве основы для мероцианина, ответственного за образование водородных связей.
Первоначально синтезированная молекула самоорганизовалась в одномерные спиральные нановолокна. Однако, когда раствор оставляли под рассеянным светом, он спонтанно трансформировался в термодинамически стабильные двумерные нанолисты за счёт перестройки водородных связей.
Под воздействием сильного ультрафиолетового излучения двумерные нанолисты трансформировались обратно в одномерные линейные нановолокна в результате фотоизомеризации азобензена, что вызвало реорганизацию структуры водородных связей. Наблюдения с помощью HS-AFM показали, что эта трансформация избирательно происходила вдоль определённых нанокристаллических граней.
«Эта супрамолекулярная система, отклоняющаяся от равновесия, открывает путь для разработки высокофункциональных материалов, которые могут изменять своё состояние в ответ на внешние стимулы, подобно живым системам», — заключает профессор Ягай. «В будущем, включив фотоактивные, электроактивные или даже каталитические функции непосредственно в молекулярную структуру, можно будет создавать системы, функциональные характеристики которых спонтанно адаптируются к изменениям окружающей среды».
Предоставлено Университетом Чиба.