Entdeckung stellt wichtige Annahmen in der Kristallphotochemie auf den Kopf!
Molekularkristall zeigt die Ausbreitung einer photochemischen Reaktion
Stimuli-responsive Materialien, deren physikalische Eigenschaften sich als Reaktion auf äußere Reize wie Licht und Wärme verändern, werden als Funktionsmaterialien der nächsten Generation eingehend untersucht. Vor allem fotoempfindliche Materialien ziehen viel Aufmerksamkeit auf sich, da ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften aus der Ferne ohne physischen Kontakt moduliert werden können. Zu den photoempfindlichen Materialien gehören auch photomechanische Molekülkristalle, die aus Molekülen bestehen, die bei Lichteinstrahlung photochemische Reaktionen eingehen, und die aufgrund ihres einzigartigen Verhaltens intensiv untersucht werden.
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Man ging davon aus, dass photochemische Reaktionen gleichmäßig ablaufen, so dass Kristalle bei gleichmäßigem Lichteinfall auch gleichmäßig ihre Farbe ändern. Eine Forschergruppe der Osaka Metropolitan University hat jedoch herausgefunden, dass ein photomechanischer Molekülkristall, 2,5-Distyrylpyrazin (DSP), photochemische Reaktionen anders durchläuft, wobei sich die Farbveränderung von den Rändern des Kristalls ausbreitet und bis zu seinem Zentrum vordringt.
Daichi Kitagawa, Osaka Metropolitan University
Anders als in Lösungen, in denen die Moleküle unabhängig voneinander existieren, sind die Moleküle in Kristallen dicht und regelmäßig angeordnet, so dass die einzigartige Photoreaktionsdynamik in Kristallen berücksichtigt werden muss. In früheren Studien über photoreaktive molekulare Kristallmaterialien wurde jedoch in der Regel davon ausgegangen, dass Photoreaktionen in Kristallen wie in Lösungen ablaufen und der klassischen Photoreaktionskinetik folgen. Daher war das Verständnis der Veränderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften auf der Grundlage der photochemischen Reaktionskinetik in Kristallen ein Thema für die weitere Entwicklung dieses Forschungsgebiets.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Kohei Morimoto, einem Doktoranden im dritten Jahr an der Osaka City University Graduate School of Engineering, und Dr. Daichi Kitagawa und Professor Seiya Kobatake an der Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering hat entdeckt, dass sich Photoreaktionen in 2,5-Distyrylpyrazin (DSP)-Kristallen von jedem Rand des Kristalls zu seinem Zentrum ausbreiten. Die Forschungsergebnisse wurden am 3. November 2022 online in Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.
Wenn Licht gleichmäßig auf einen Kristall fällt, verläuft die durch die Photoreaktion hervorgerufene Farbveränderung normalerweise auch gleichmäßig. Die Forschergruppe fand jedoch heraus, dass bei DSP-Kristallen die Farbveränderung am Rand des Kristalls beginnt und sich zum Zentrum hin ausbreitet, so dass sich die Fotoreaktion wie eine Welle ausbreitet. Die Forschergruppe stellte fest, dass diese Ausbreitung des Farbwechsels vom Rand zum Zentrum aus zwei Gründen geschieht: ein Oberflächeneffekt, der die Reaktivität an den Rändern des Kristalls extrem hoch macht, und ein kooperativer Effekt, der die Reaktivität auch für Moleküle erhöht, deren Nachbarn bereits die Farbe gewechselt haben.
"Dieses Phänomen, das von der konventionellen Auffassung der Photochemie abweicht, ist von großer Bedeutung für unser Verständnis der grundlegenden Wissenschaft der Photoreaktionen", so Dr. Kitagawa. "In Zukunft möchten wir die Bedingungen klären, die für das Auftreten dieser einzigartigen Photoreaktion notwendig sind, und untersuchen, wie sie genutzt werden können, um neue funktionelle Materialien zu schaffen, die sich dieses Phänomen zunutze machen."
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