研究人員使用光以新的方式控制高速化學(xué)反應(yīng)

許多天然和合成化學(xué)系統(tǒng)在某些光的存在下反應(yīng)并改變它們的性質(zhì)。對于普通儀器來說，這些反應(yīng)可能發(fā)生得太快。研究人員首次采用了一種新技術(shù)來觀察高速反應(yīng)。用這種方法觀察到的一種特殊反應(yīng)可能導(dǎo)致新的光學(xué)納米技術(shù)。

在化學(xué)中，分子可以以不同的方式被操縱以產(chǎn)生不同的東西。例如，異構(gòu)化是改變分子排列但原樣離開組成原子的過程。該過程存在于自然系統(tǒng)中，例如眼睛的視網(wǎng)膜，以及諸如某些化學(xué)合成的人工系統(tǒng)。在許多情況下，異構(gòu)化基本上使得分子的特定區(qū)域或多或少有序。

光致異構(gòu)化是一種異構(gòu)化，其被光激活并且比眨眼更快地發(fā)生。來自化學(xué)系的Takashi Kato教授及其同事將化學(xué)化合物偶氮苯的液晶分子置于特定頻率的紫外光下。單個偶氮苯分子的光異構(gòu)化通常在數(shù)百飛秒(千萬億分之一秒)的時間尺度上發(fā)生。這通常需要你眨眼的時間大約是十億分之一到萬億分之一!研究人員發(fā)現(xiàn)，這種分子會在數(shù)百皮秒(萬億分之一秒)的時間尺度上觸發(fā)液晶中的分子相互作用。

“我們已經(jīng)展示了如何在紫外光照射的過程中將偶氮苯分子的形狀從直桿形狀改變?yōu)槁晕澢男螤睢＿@種彎曲可以轉(zhuǎn)化為某種機械或電子功能，”加藤說。“反應(yīng)通過樣品中的相鄰分子傳播，這意味著它是一個非常有效的過程。”

然而，這種反應(yīng)并非孤立地發(fā)生; 它發(fā)生在軟物質(zhì)樣本中，其功能取決于組成分子及其行為。在這種情況下，軟物質(zhì)可能意味著從人造肌肉到柔性攝影傳感器甚至是尚未想象的東西。重要的事實是，通常只需幾百飛秒的初始反應(yīng)在大約一百皮秒內(nèi)啟動周圍軟物質(zhì)的響應(yīng)，并且這樣做效率很高。

“這是在軟物質(zhì)中觀察到的最快的分子間運動。事實上，我們想要觀察到的是如此之快，我們必須使用一些非常專業(yè)的方法來獲取數(shù)據(jù)并可視化在這些微不足道的時間框架內(nèi)發(fā)生的事情，”Kato繼續(xù)說道。“如果沒有一些由我的同事Tsukuba大學(xué)副教授Masaki Hada制作的獨特的手工光譜儀器，這是不可能的。”

這種方法被稱為超快瞬態(tài)透射光譜法，它是記錄分子樣品組成的準(zhǔn)確方法，和超快時間分辨電子衍射，類似于X射線，是如何觀察反應(yīng)圖像的。請注意，這兩種方法都被稱為“超快速”，這只是表明其他方法不足以用研究人員所需的時間分辨率來捕獲數(shù)據(jù)。

“自從我還是一名研究生以來，我作為一名化學(xué)家從事有序分子組裝，如自組裝系統(tǒng)已有35年以上的研究經(jīng)驗。這項研究推動了光響應(yīng)分子在軟物質(zhì)中的基本化學(xué)以及它們的超快速光機械應(yīng)用，”加藤總結(jié)道。“對于我自己和同事來說，開展這類項目真是一種特權(quán)。我們希望這可能有助于設(shè)計基于分子的材料，如軟體機制和光功能材料。”