I ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno sviluppato un nuovo tipo di materiale cristallino che cambia colore che può essere utilizzato per indicare la presenza di acqua. Il cambiamento di tonalità è abbastanza drammatico da essere misurato a occhio nudo. Questo lavoro potrebbe portare alla creazione di sensori "vapocromici" altamente sensibili che possono mostrare se un particolare gas o vapore acqueo è presente senza bisogno di alimentazione esterna.

I sensori chimici sono importanti per molti processi industriali. Per garantire sicurezza ed efficienza, le fabbriche spesso devono essere monitorate per i gas potenzialmente tossici o addirittura per l'umidità in eccesso. I sensori per il vapore acqueo sono particolarmente importanti, ma può avere una durata limitata o richiedere alimentazione esterna. Per affrontare questo, gli scienziati dell'Università di Tsukuba hanno inventato un nuovo materiale cristallino che cambia colore se esposto al vapore acqueo. Dentro il cristallo, lunghe molecole ramificate chiamate dendrimeri sono tenute insieme dalle forze di van der Waals.

"I dendrimeri di carbazolo aromatici contenenti anelli di carbonio sono ancorati a un nucleo di dibenzofenazina, ", spiega l'autore senior, il professor Yohei Yamamoto. "È interessante notare che anche se le forze di van der Waals sono generalmente considerate relativamente deboli, il cristallo rimane insieme durante il funzionamento."

Il team di ricerca ha inoltre caratterizzato ampiamente il nuovo materiale. Oltre a studiare il colore sia nello stato idratato che disidratato mediante spettroscopia, gli scienziati hanno utilizzato tecniche tra cui l'analisi di diffrazione di raggi X su cristalli singoli e su polvere, così come l'analisi termogravimetrica. Sulla base dei risultati sperimentali e dei calcoli della teoria del funzionale della densità teorica, sono stati in grado di determinare il meccanismo molecolare responsabile dei diversi aspetti in diverse concentrazioni di acqua. Le proprietà di cambiamento del colore del cristallo derivano dai cambiamenti di conformazione nei dendrimeri. Dopo l'esposizione al vapore acqueo, i piani delle unità di carbazolo più esterne nel cristallo si attorcigliano simultaneamente. Questo movimento cambia le energie degli orbitali elettronici, che fa sì che gli elettroni assorbano diversi colori della luce.

"Riteniamo che i nostri risultati porteranno a un'ulteriore esplorazione dei cristalli porosi di van der Waals, proprio come le strutture metallo-organiche che hanno trovato posto nella chimica, " Dice il professor Yamamoto. "Questo lavoro può portare a una nuova classe di sensori di gas che possono funzionare in luoghi difficili da raggiungere, perché non richiedono alimentazione esterna."