Molti sistemi chimici naturali e sintetici reagiscono e modificano le proprie proprietà in presenza di determinati tipi di luce. Queste reazioni possono verificarsi troppo rapidamente per essere viste dagli strumenti ordinari. Per la prima volta, i ricercatori hanno adottato una nuova tecnica per osservare le reazioni ad alta velocità. Un tipo speciale di reazione osservato con questo metodo potrebbe portare a nuove nanotecnologie ottiche.

In chimica, le molecole possono essere manipolate in modi diversi per produrre cose diverse. isomerizzazione, Per esempio, è un processo che cambia la disposizione di una molecola ma lascia gli atomi costituenti così come sono. Il processo si trova in sistemi naturali come la retina dell'occhio, e sistemi artificiali come certi tipi di sintesi chimica. In molti casi l'isomerizzazione rende essenzialmente una particolare regione di molecole più o meno ordinate.

La fotoisomerizzazione è un tipo di isomerizzazione che viene attivata dalla luce e avviene più rapidamente di un battito di ciglia. Il professor Takashi Kato del Dipartimento di Chimica e colleghi hanno sottoposto le molecole di cristalli liquidi del composto chimico azobenzene a frequenze specifiche della luce UV. La fotoisomerizzazione di una singola molecola di azobenzene avviene tipicamente su una scala temporale di centinaia di femtosecondi (quadrillionesimi di secondo). Questo è approssimativamente un miliardesimo o un trilionesimo del tempo che normalmente impieghi a battere le palpebre! I ricercatori hanno scoperto che la molecola innesca quindi interazioni molecolari nei cristalli liquidi su scale temporali di centinaia di picosecondi (trilionesimi di secondo).

"Abbiamo mostrato come cambiare la forma delle molecole di azobenzene da una forma a bastoncino diritto a una forma leggermente piegata in un processo innescato dalla foto-irradiazione della luce UV. Questa flessione potrebbe tradursi in alcune funzioni meccaniche o elettroniche, " disse Kato. "La reazione si propaga attraverso le molecole vicine nel campione, il che significa che è un processo estremamente efficiente."

Questa reazione non avviene isolatamente, però; si verifica all'interno di un campione di materia soffice la cui funzione dipende dalle molecole costituenti e dai loro comportamenti. In questo caso, materia soffice potrebbe significare qualsiasi cosa, da un muscolo artificiale a sensori fotografici flessibili o anche cose non ancora immaginate. Il fatto importante è che la reazione iniziale, che in genere richiede solo centinaia di femtosecondi, avvia una risposta nella materia soffice circostante in circa cento picosecondi, e lo fa in modo efficiente.

"Questo è il movimento intermolecolare più veloce mai osservato all'interno della materia soffice. In effetti, ciò che volevamo osservare era così veloce che abbiamo dovuto utilizzare alcuni metodi molto specializzati per acquisire dati e visualizzare ciò che è avvenuto durante questi minuscoli intervalli di tempo, " ha continuato Kato. "Questo non sarebbe stato possibile senza alcuni strumenti spettrali unici fatti a mano dal mio collega Professore Associato Masaki Hada dell'Università di Tsukuba."

I metodi sono noti come spettroscopia di trasmissione transitoria ultraveloce, che è un modo accurato per registrare la composizione di un campione molecolare, e diffrazione elettronica risolta nel tempo ultraveloce, che è analogo a una radiografia ed è il modo in cui sono state osservate le immagini della reazione. Nota che entrambi i metodi sono chiamati "ultraveloci, ", il che dimostra che altri metodi sarebbero stati insufficienti per acquisire dati con la risoluzione temporale desiderata dai ricercatori.

"Ho lavorato su assemblaggi molecolari ordinati come i sistemi autoassemblanti per più di 35 anni come chimico da quando ero uno studente laureato. Questa ricerca fa avanzare la chimica fondamentale delle molecole fotosensibili nella materia soffice e le loro applicazioni fotomeccaniche ultraveloci, " ha concluso Kato. "È un vero privilegio per me e per i colleghi lavorare su questo tipo di progetto. Speriamo che questo possa contribuire alla progettazione di materiali a base molecolare come meccanismi a corpo morbido e materiali fotofunzionali".