Un team di scienziati della Waseda University di Tokyo e della Rigaku Corporation ha scoperto un nuovo tipo di transizione di fase strutturale dei cristalli organici chiamata transizione di fase fotoattivata. Hideko Koshima, un professore in visita presso l'Organizzazione di ricerca di Waseda per Nano &Life Innovation e autore principale dello studio, dice, "I meccanismi di transizione di fase sono ampiamente utilizzati nella memoria, interruttore, e materiali di attuazione, e crediamo che questa scoperta di una nuova fase di transizione abbia un potenziale sia per la scienza di base che per i campi di applicazione".
Il loro studio è stato pubblicato in Chimica delle comunicazioni il 20 febbraio, 2019.
Indotto da stimoli esterni come la temperatura, pressione, campi elettromagnetici e luce, una transizione di fase strutturale è un fenomeno che modifica le proprietà fisiche e le funzioni dei materiali allo stato solido. Ad esempio, leghe a memoria di forma, che trovano applicazioni nella robotica e nell'automotive, industria aerospaziale e biomedica, recuperano la loro forma per riscaldamento dovuto alle transizioni martensitiche. Negli ultimi anni, i cristalli organici sono stati considerati candidati come materiali per attuatori di nuova generazione a causa della loro morbidezza e leggerezza.
Prima di questo studio, il team ha riportato un cristallo meccanico che si piega con l'esposizione alla luce, così come un cristallo robotico che "cammina e rotola" quando riscaldato e raffreddato. L'attivazione di questi cristalli può essere rispettivamente spiegata da una reazione fotocromatica, nota come fotoisomerizzazione, e transizione di fase strutturale. Per diversificare i movimenti di tali cristalli, gli scienziati hanno cercato cristalli organici che esibissero entrambi i fenomeni.
Trovare tali cristalli non è un compito facile, che richiedono tentativi ed errori. Però, quando il team stava studiando il cristallo chirale di salicilidenammina fotocromatica, non solo hanno scoperto che mostra entrambi i fenomeni, ma ha anche scoperto la nuova fase di transizione strutturale. "Ci siamo accidentalmente imbattuti nella transizione di fase fotoattivata del cristallo chirale di salicilidenammina fotocromatica, che mostra una transizione di fase termica che è reversibile al riscaldamento e raffreddamento, " spiega il professor Koshima. "Quando si irradia questo cristallo con luce ultravioletta a -50 gradi C, una temperatura inferiore alla sua temperatura di transizione termica (40 gradi C), abbiamo scoperto da un'analisi cristallografica a raggi X che il cristallo subisce una trasformazione identica a quella di una transizione di fase termica."
Il team ha anche appreso che la transizione di fase fotoattivata si verifica a causa del ceppo di molecole prodotte dalla fotoisomerizzazione, e Koshima aggiunge che la transizione di fase fotoattivata differisce da una transizione di fase fotoindotta, che è apparso in altre pubblicazioni. "La fase cristallina dovuta alla transizione di fase fotoindotta appare solo per irraggiamento luminoso, che cambia le proprietà elettriche e/o magnetiche dei cristalli entro femto- o picosecondi. Nella transizione di fase fotoattivata, la fase cristallina innescata dalla luce è identica a quella tramite transizione di fase termica, indotto dal riscaldamento, ma unico rispetto alla sua conformazione molecolare, " lei dice.
Poiché la transizione di fase fotoattivata è indotta dall'irradiazione della luce e non richiede riscaldamento e raffreddamento perché avvenga la transizione di fase strutturale, i risultati del team potrebbero "portare a una nuova strategia per ampliare l'applicabilità dei solidi foto-reattivi" e contribuire alla ricerca e allo sviluppo del rilevamento di prossima generazione, commutazione, memoria, e attuatori che consentono il controllo remoto e/o il funzionamento locale tramite luce.
Il team sta ora pianificando di misurare e valutare quantitativamente l'entità della deformazione del cristallo causata dalla fotoisomerizzazione, indagare sistematicamente se la transizione di fase fotoattivata si verifica in altri cristalli utilizzando l'informatica dei materiali, e chiarire le sue condizioni.
