Gli scienziati dell'Università di Nagoya hanno sviluppato un nuovo modo per realizzare materiali sensibili agli stimoli in modo prevedibile. Hanno usato questo metodo per progettare un nuovo materiale, una miscela di nanoanelli di carbonio e iodio, che conduce elettricità ed emette luce bianca quando esposto all'elettricità. Il nuovo approccio del team potrebbe aiutare a generare una gamma di materiali affidabili e sensibili agli stimoli, che può essere utilizzato nei dispositivi di memoria, muscoli artificiali e sistemi di somministrazione dei farmaci, tra le altre applicazioni.

Nagoya, Giappone – I materiali sensibili agli stimoli alterano le proprie proprietà in risposta a stimoli esterni, come la foto-irradiazione, calore, pressione ed elettricità. Questa funzione può essere controllata per un'ampia gamma di usi, come nei dischi ottici, memorie e display per computer, così come muscoli artificiali e sistemi di somministrazione di farmaci.

I ricercatori hanno lavorato per sviluppare nuovi materiali sensibili agli stimoli in modo prevedibile. Però, è stato estremamente difficile progettare e controllare le complesse disposizioni molecolari dei materiali.

Ora, un metodo semplice e affidabile per sintetizzare materiali sensibili agli stimoli è stato sviluppato da un team guidato dal JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project dell'Università di Nagoya e dall'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). I risultati di questo studio sono stati recentemente riportati sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Il metodo dell'"ospite poroso reattivo" prende una molecola con una struttura porosa e le lega una molecola "ospite" che probabilmente reagirà agli stimoli esterni. In questo caso, il team ha scoperto che [10]cicloparafenilene ([10]CPP), una molecola idrocarburica composta da 10 anelli benzenici paraconnessi, fatto un ospite ideale quando combinato con iodio (I). Lo iodio si trova all'interno degli anelli di carbonio porosi, e ha reagito alla stimolazione elettrica. Non solo conduceva elettricità, emetteva anche una luce bianca, il che è insolito. Tipicamente, sono necessari molti altri componenti per ottenere il colore bianco. Questo mostra il potenziale del nuovo materiale, [10]CPP-I, per sistemi di illuminazione di nuova generazione.

"Questo approccio di 'ospite poroso reattivo' dovrebbe essere applicabile a diversi stimoli, come la foto-irradiazione, applicazione di calore e variazione del pH, e aprire la strada all'elaborazione di una strategia generica per lo sviluppo di materiali sensibili agli stimoli in modo controllabile e prevedibile, " ha detto il dottor Hirotoshi Sakamoto, un capogruppo del progetto JST-ERATO.

La sintesi del materiale è sorprendentemente semplice:i ricercatori hanno mescolato nanoanelli di carbonio (CPP) e iodio insieme, e lasciarlo asciugare. La cristallografia a raggi X ha confermato che le molecole di iodio si allineano all'interno del nucleo cavo dei nanoanelli allineati.

Il team ha provato diverse varianti della miscela, cambiando il numero di nanoanelli di carbonio, e ha scoperto che 10 anelli hanno portato al movimento dell'atomo di iodio più dinamico e alla risposta più sensibile ai cambiamenti ambientali esterni.

Quando è stata applicata una corrente continua a [10]CPP-I, la resistività di massa del campione è diminuita di circa 380 volte, indicando che conduceva elettricità invece di resistere alla trasmissione elettrica. La resistività di massa nelle miscele con 9 o 12 nanoanelli non è diminuita così tanto. Questi risultati mostrano che la dimensione dei pori nell'assieme nanoring controlla la risposta alla stimolazione elettrica.

"Una delle parti più difficili di questa ricerca è stata indagare su come la conduttività elettrica del [10]CPP-I viene attivata da stimoli elettrici, " ha detto il dottor Noriaki Ozaki, un ricercatore post-dottorato del progetto JST-ERATO. "Anche se ci sono voluti solo tre mesi per sintetizzare la molecola e scoprire le sue proprietà di risposta agli stimoli elettrici, ci è voluto un altro anno per scoprire l'origine delle sue proprietà."

Il team ha finalmente scoperto come la conduttività elettrica di [10]CPP-I viene attivata da stimoli elettrici, utilizzando la spettroscopia di assorbimento di raggi X near-edge (XANES), spettroscopia Raman, e spettroscopia di fluorescenza. Queste analisi hanno mostrato che gli atomi di iodio nei nanoanelli di carbonio formano catene di poliioduri estese quando stimolati dall'elettricità, che dava al materiale la conduttività elettrica.

I ricercatori hanno anche scoperto che gli stimoli elettrici possono cambiare il colore della fotoluminescenza di [10]CPP-I da un colore verde-blu a un colore bianco. La luminescenza bianca significa che lo spettro di fluorescenza di [10]CPP-I copre l'intera gamma di luce visibile. L'allargamento spettrale è attribuito alla distribuzione irregolare delle strutture elettroniche dei CPP, che è causato dalla formazione di catene di poliioduri. La luminescenza bianca di [10]CPP-I è un raro esempio di materiale di illuminazione bianca da un singolo assemblaggio molecolare; l'emissione di luce bianca si ottiene solitamente mescolando più componenti di colori diversi.

"Eravamo davvero entusiasti di sviluppare questo metodo semplice ma potente per ottenere la sintesi di materiali di risposta a stimoli esterni, " ha detto il professor Kenichiro Itami, direttore del progetto JST-ERATO e direttore del centro di ITbM.