Самоорганизация молекул — фундаментальный процесс, лежащий в основе создания современных оптических и электронных материалов. Этот феномен подразумевает, что отдельные молекулы способны спонтанно выстраиваться в упорядоченные структуры, что открывает широкие возможности для управления свойствами материалов на наноуровне.
Группа японских исследователей под руководством профессора Шики Ягаи из Университета Тиба совершила прорыв в управлении этим процессом. Их команда, в которую вошли также Тахуо Сайто (Нагоя), Дайсуке Инуое и Юити Китомото (Тохоку), выявила, что даже незначительное количество остаточных агрегатов кардинально меняет сценарий самоорганизации светочувствительных молекул. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
В центре исследования — хиральный, светочувствительный азобензол. Эти молекулы в органических растворителях обычно собираются в левозакрученные (лево-спиральные) агрегаты за счет особого положения хирального атома углерода и формы, напоминающей закрытые ножницы. Однако присутствие даже малых количеств остаточных агрегатов после облучения ультрафиолетом (УФ) индуцирует образование не левых, а правозакрученных (право-спиральных) структур.
Экспериментальная схема такова: слабое УФ-излучение приводит к диссоциации спиральных агрегатов на отдельные молекулы, но небольшая часть левозакрученных агрегатов сохраняется. Именно эти остаточные структуры становятся, по словам исследователей, «затравкой» или центром вторичного нуклеирования, на основе которого происходит сборка новых, но уже правозакрученных агрегатов. Этот процесс и получил название вторичного нуклеирования.
Дальнейшее воздействие видимым светом запускает обратную самоорганизацию. Ключевым параметром становится интенсивность освещения: при сильном видимом свете сборка происходит быстро, и влияние остаточных агрегатов минимально — формируются исходные левозакрученные структуры. При слабом видимом свете эффект остаточных агрегатов усиливается, и наблюдается инверсия хиральности — формируются метастабильные правозакрученные агрегаты.
Молекулярное моделирование показало: азобензол в растворе при комнатной температуре образует сложенную, «ножницеподобную» структуру, которая разворачивается в спираль при самоорганизации. Хиральность обусловлена асимметричным центром: четыре различающиеся группы у атома углерода определяют направление закрутки — левое или правое, в зависимости от условий.
Электронные свойства вновь собранных агрегатов также различаются. Левозакрученные и правозакрученные структуры демонстрируют противоположную поляризацию спина электронов. Это означает, что управляя светом и контролируя остаточные агрегаты, можно тонко настраивать электронные характеристики материалов.
Результаты подчеркивают критическую роль остаточных агрегатов в управлении процессом самоорганизации. Использование света и тонкая регулировка его интенсивности позволяют создавать материалы с новыми функциональными свойствами и заданной хиральностью. Это открывает новые перспективы для разработки нанотехнологических устройств, где точное управление структурой и электронной функцией достигается за счет внешнего фотоконтроля.
Изображение носит иллюстративный характер
Группа японских исследователей под руководством профессора Шики Ягаи из Университета Тиба совершила прорыв в управлении этим процессом. Их команда, в которую вошли также Тахуо Сайто (Нагоя), Дайсуке Инуое и Юити Китомото (Тохоку), выявила, что даже незначительное количество остаточных агрегатов кардинально меняет сценарий самоорганизации светочувствительных молекул. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
В центре исследования — хиральный, светочувствительный азобензол. Эти молекулы в органических растворителях обычно собираются в левозакрученные (лево-спиральные) агрегаты за счет особого положения хирального атома углерода и формы, напоминающей закрытые ножницы. Однако присутствие даже малых количеств остаточных агрегатов после облучения ультрафиолетом (УФ) индуцирует образование не левых, а правозакрученных (право-спиральных) структур.
Экспериментальная схема такова: слабое УФ-излучение приводит к диссоциации спиральных агрегатов на отдельные молекулы, но небольшая часть левозакрученных агрегатов сохраняется. Именно эти остаточные структуры становятся, по словам исследователей, «затравкой» или центром вторичного нуклеирования, на основе которого происходит сборка новых, но уже правозакрученных агрегатов. Этот процесс и получил название вторичного нуклеирования.
Дальнейшее воздействие видимым светом запускает обратную самоорганизацию. Ключевым параметром становится интенсивность освещения: при сильном видимом свете сборка происходит быстро, и влияние остаточных агрегатов минимально — формируются исходные левозакрученные структуры. При слабом видимом свете эффект остаточных агрегатов усиливается, и наблюдается инверсия хиральности — формируются метастабильные правозакрученные агрегаты.
Молекулярное моделирование показало: азобензол в растворе при комнатной температуре образует сложенную, «ножницеподобную» структуру, которая разворачивается в спираль при самоорганизации. Хиральность обусловлена асимметричным центром: четыре различающиеся группы у атома углерода определяют направление закрутки — левое или правое, в зависимости от условий.
Электронные свойства вновь собранных агрегатов также различаются. Левозакрученные и правозакрученные структуры демонстрируют противоположную поляризацию спина электронов. Это означает, что управляя светом и контролируя остаточные агрегаты, можно тонко настраивать электронные характеристики материалов.
Результаты подчеркивают критическую роль остаточных агрегатов в управлении процессом самоорганизации. Использование света и тонкая регулировка его интенсивности позволяют создавать материалы с новыми функциональными свойствами и заданной хиральностью. Это открывает новые перспективы для разработки нанотехнологических устройств, где точное управление структурой и электронной функцией достигается за счет внешнего фотоконтроля.
