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研究人员使用光以新的方式控制高速化学反应

2019-09-15 11:01:17 编辑: 来源:
导读 许多天然和合成化学系统在某些光的存在下反应并改变它们的性质。对于普通仪器来说,这些反应可能发生得太快。研究人员首次采用了一种新技术

许多天然和合成化学系统在某些光的存在下反应并改变它们的性质。对于普通仪器来说,这些反应可能发生得太快。研究人员首次采用了一种新技术来观察高速反应。用这种方法观察到的一种特殊反应可能导致新的光学纳米技术。

在化学中,分子可以以不同的方式被操纵以产生不同的东西。例如,异构化是改变分子排列但原样离开组成原子的过程。该过程存在于自然系统中,例如眼睛的视网膜,以及诸如某些化学合成的人工系统。在许多情况下,异构化基本上使得分子的特定区域或多或少有序。

光致异构化是一种异构化,其被光激活并且比眨眼更快地发生。来自化学系的Takashi Kato教授及其同事将化学化合物偶氮苯的液晶分子置于特定频率的紫外光下。单个偶氮苯分子的光异构化通常在数百飞秒(千万亿分之一秒)的时间尺度上发生。这通常需要你眨眼的时间大约是十亿分之一到万亿分之一!研究人员发现,这种分子会在数百皮秒(万亿分之一秒)的时间尺度上触发液晶中的分子相互作用。

“我们已经展示了如何在紫外光照射的过程中将偶氮苯分子的形状从直杆形状改变为略微弯曲的形状。这种弯曲可以转化为某种机械或电子功能,”加藤说。“反应通过样品中的相邻分子传播,这意味着它是一个非常有效的过程。”

然而,这种反应并非孤立地发生; 它发生在软物质样本中,其功能取决于组成分子及其行为。在这种情况下,软物质可能意味着从人造肌肉到柔性摄影传感器甚至是尚未想象的东西。重要的事实是,通常只需几百飞秒的初始反应在大约一百皮秒内启动周围软物质的响应,并且这样做效率很高。

“这是在软物质中观察到的最快的分子间运动。事实上,我们想要观察到的是如此之快,我们必须使用一些非常专业的方法来获取数据并可视化在这些微不足道的时间框架内发生的事情,”Kato继续说道。“如果没有一些由我的同事Tsukuba大学副教授Masaki Hada制作的独特的手工光谱仪器,这是不可能的。”

这种方法被称为超快瞬态透射光谱法,它是记录分子样品组成的准确方法,和超快时间分辨电子衍射,类似于X射线,是如何观察反应图像的。请注意,这两种方法都被称为“超快速”,这只是表明其他方法不足以用研究人员所需的时间分辨率来捕获数据。

“自从我还是一名研究生以来,我作为一名化学家从事有序分子组装,如自组装系统已有35年以上的研究经验。这项研究推动了光响应分子在软物质中的基本化学以及它们的超快速光机械应用,”加藤总结道。“对于我自己和同事来说,开展这类项目真是一种特权。我们希望这可能有助于设计基于分子的材料,如软体机制和光功能材料。”


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