Consente inoltre molteplici proprietà fotocromatiche in una singola molecola con un'unica fonte di luce. Queste qualità li hanno resi preziosi negli elementi ottici e olografici non lineari, nella microscopia a super risoluzione e nelle applicazioni biomediche.

Il modo più semplice per ottenere il fotocromismo non lineare nei materiali è attraverso l’assorbimento simultaneo di due fotoni, ma ciò richiede una luce di intensità estremamente elevata. Per le reazioni fotocromatiche non lineari che utilizzano luce a bassa intensità, sono necessari processi graduali a due fotoni, ma questi sono difficili da progettare perché si basano su specie molecolari dalla vita estremamente breve.

Inoltre, i sistemi multi-fotocromici che mostrano reazioni fotochimiche graduali richiedono strutture molecolari complesse. Tali complessità hanno limitato le ampie applicazioni dei composti fotocromatici non lineari in molti campi.

Un altro metodo importante per indurre il fotocromismo non lineare è l'annichilazione tripletta-tripletta (TTA). Richiede tre componenti:un sensibilizzatore tripletto, un annichilatore e un composto fotocromatico, che aggiunge una complessità significativa. Se una singola molecola può svolgere questi ruoli, il fotocromismo non lineare può essere ottenuto in sistemi più semplici.

In una recente svolta, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professor Yoichi Kobayashi del Dipartimento di Chimica Applicata del College of Life Sciences dell'Università Ritsumeikan, ha ottenuto un fotocromismo non lineare con luce a bassa intensità utilizzando TTA in una singola molecola.

Il Prof. Kobayashi spiega:"Gli spirolattami di rodamina possono svolgere il ruolo sia di composti fotocromatici che di sensibilizzatori di triplette, il che affronta il problema della complessità, e possono essere facilmente sintetizzati dalla rodamina B e dai suoi analoghi. In questo studio, ci siamo concentrati su uno spirolattame di rodamina derivato avente un gruppo perilene (Rh–Pe) e ne ha studiato le proprietà fotocromatiche."

I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie International Edition il 10 aprile 2024.

In Rh-Pe, l'eccitazione con la luce innesca una reazione fotocromatica, che porta alla formazione di una struttura ad apertura di anello, chiamata forma aperta, che si traduce in drastici cambiamenti nel suo colore. Dopo aver studiato le sue proprietà fotocromatiche non lineari, i ricercatori hanno scoperto che l'efficienza del cambiamento di colore di Rh-Pe aumentava con la luce ad alta intensità.

Ciò significa che l'intensità della colorazione e quindi la quantità generata della forma aperta aumenta in modo non lineare con l'aumento dell'intensità di eccitazione. Ad esempio, sotto eccitazione con luce a 365 nm proveniente da un diodo emettitore di luce, Rh-Pe non ha mostrato quasi alcun cambiamento di colore. Tuttavia, l'eccitazione con un laser a impulsi di nanosecondi da 355 nm ad alta intensità ha prodotto una colorazione significativa, anche se la luce aveva un'energia totale inferiore.

Per comprendere l'origine di queste proprietà fotocromatiche non lineari, i ricercatori hanno studiato il meccanismo di eccitazione di Rh-Pe. Hanno scoperto che quando eccitato direttamente con la luce ultravioletta (UV) e blu, Rh-Pe passa in uno stato di trasferimento di carica, che poi produce uno stato eccitato di tripletto. Questo stato eccitato di tripletta subisce quindi TTA, formando una forma aperta intensamente colorata attraverso uno stato intermedio.

Questo TTA rappresenta la risposta non lineare all'intensità della luce poiché funziona in modo più efficiente con la luce ad alta intensità. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che Rh-Pe può anche mostrare fotocromismo con fotocromismo indotto dalla luce rossa e verde utilizzando sensibilizzatori tripletti separati, anche se può essere eccitato direttamente dalla luce UV e blu.

"Il nostro nuovo design per composti fotocromatici non lineari facilmente sintetizzabili aprirà la strada alle loro diverse applicazioni, come la fotolitografia ad alta risoluzione, la stampa 3D e i dischi ottici ad alta densità", afferma il prof. Kobayashi.

"I nostri risultati offrono un nuovo approccio per la progettazione di composti fotocromatici e materiali funzionali con comportamento non lineare e reattività a lunga lunghezza d'onda che utilizzano in modo efficiente la luce a bassa energia."

Nel complesso, i risultati dello studio offrono nuove strade per lo sviluppo di composti fotocromatici non lineari più semplici, aprendo la strada ad applicazioni più ampie.