Nanoseconde laser-geïnduceerde versterking van een fotochrome reactie in een diaryletheen nanodeeltje

Een onderzoeksteam aan de Ehime University vond een drastisch versterkte ringopeningsreactie in waterige nanodeeltjescolloïden van een fotochroom diaryletheen wanneer geïnduceerd door een intense nanoseconde laserpuls, en verduidelijkte het versterkingsmechanisme ervan. De bevindingen zijn op 4 juli 2020 gepubliceerd in Chemische communicatie en verscheen op de achterkant van het dagboek.

Organische moleculen in een vaste stof hebben een andere omgeving dan een molecuul in oplossing vanwege de beperkte moleculaire bewegingen / trillingen en de elektronische onderlinge interacties tussen naburige moleculen. De organische vaste stoffen vertonen naar verwachting verschillende fotochemische reacties en fotofysische eigenschappen van de oplossing. Vooral lichtbestraling met een hoge fotondichtheid, zoals een ultrakorte pulslaser naar de vaste stof, maakt interacties mogelijk tussen multi-chromofoor en multi-fotonen, wat leidt tot nieuwe fotochemische reacties die niet gerealiseerd kunnen worden met conventionele lichtbestraling.

In deze studie concentreerden onderzoekers zich op een diaryletheenderivaat als een organisch vast monster. Diaryletheenderivaten, voor het eerst gesynthetiseerd door Prof. Irie aan de Kyushu University, laten een foto-geïnduceerde omkeerbare transformatie zien tussen een kleurloze open vorm en een gekleurde gesloten vorm. De herschikking van de chemische binding tijdens de fototransformatie veroorzaakt snel niet alleen de kleurverandering, maar ook verschillende fysische en chemische eigenschappen, zoals fluorescentiespectra, brekingsindices, oxidatie- / reductiepotentialen en chirale eigenschappen. Onlangs hebben veel onderzoekers in de wereld gemeld dat diaryletheenkristallen fotomechanische functies vertoonden door hun vormveranderingen te gebruiken, zoals uitzetten / krimpen en buigen en krullen door licht. Daarom hebben diaryletheenderivaten veel aandacht getrokken als een foto-energieomzettingsmateriaal van de volgende generatie.

In deze studie maakten onderzoekers waterige nanodeeltjescolloïden van een diaryletheenderivaat in gesloten vorm door middel van de herprecipitatiemethode, en onderzochten ze de opbrengst van de ringopeningsreactie van gesloten naar open vormen na bestraling met een enkelschots nanoseconde laserpuls (excitatiegolflengte; 532 nm , Pulsduur; 6 ns). Als resultaat vertoonde de reactieopbrengst van de nanodeeltjes een derde orde toename met de laserfluentie, terwijl die van de oplossing monotoon toenam. Dat wil zeggen, onderzoekers ontdekten voor de eerste keer dat de niet-lineaire toename van de reactieopbrengst door de nanoseconde laserpuls alleen werd waargenomen in het nanodeeltje. Het mechanisme van de versterkte ringopeningsreactie zou verklaard kunnen worden door een “fotosynergetisch effect” in combinatie met fotothermische omzetting op nanoschaal en de fotochemische reactie in een nanodeeltje, op basis van de resultaten van de steady-state en time-resolved spectroscopieën.

In tegenstelling tot het eenvoudige temperatuureffect speelt het laserverwarmingseffect op nanoschaal, dwz fotothermische omzetting van het aangeslagen molecuul en thermische geleiding op nanometerschaal, een belangrijke rol. In het kort, één molecuul in gesloten vorm, geëxciteerd door één foton in een ns-puls, verwarmde omringende moleculen (genererend een hete cluster bestaande uit meerdere moleculen met hoge temperaturen). Wanneer een ander molecuul in de hete cluster een ander foton van dezelfde puls absorbeert, zou de versterkte ringopeningsreactie plaatsvinden onder zo’n voorbijgaande hoge temperatuur.

Dit proces hangt af van de onderlinge interactie tussen een multi-chromofoor en een multi-foton, die kan worden geïnduceerd door de combinatie van een organische vaste stof met een hoge moleculaire dichtheid en een ns-laserpuls met een hoge fotondichtheid. Deze resultaten zullen het begrip verdiepen van de “fotosynergetische respons” die kenmerkend is voor nieuwe lasergeïnduceerde reacties van vaste fotofunctionele materialen.