Видиме світло зробив органічну плівку товщою за рахунок перенесення електронів

Хіміки вперше отримали композитний органічний акціонерний матеріал, який розширюється при опроміненні світлом за рахунок перенесення електронів від одного типу молекул у кристалі до іншого. Це перенесення стає причиною зміни конформації молекулярного комплексу всередині плівки, що призводить до зміни її товщини, пишуть вчені в.

При створенні механічних сенсорів часто використовуються матеріали, які змінюють свій розмір під впливом зовнішнього неконтактного впливу, зокрема, при додатку електричного або магнітного поля. Розширення цих матеріалів відбувається за рахунок електрострикційних або магнітострикційних властивостей, відповідно, і зустрічається не так рідко. Значно рідкісніший тип подібної зміни форми - фотострикція, при якій деформація кристала відбувається за рахунок опромінення його світлом. Така поведінка характерна для деяких неполярних напівпровідників, п'єзоелектриків або органічних полімерів, однак для всіх цих матеріалів ефект досить слабкий і не перевищує одиниць відсотків. Відомо, що до фотострикційного ефекту призводить зміна довжини хімічних зв'язків під дією світла, проте точні його механізми, особливо в нових класах матеріалів, залишаються до кінця не вивченими.

Хіміки з США і Китаю під керівництвом Шеньцяна Женя (Shenqiang Ren) з Університету штату Нью-Йорк в Буффало виявили, що фотострикційний ефект характерний для ще одного класу матеріалів - комплексних органічних почесних наноплівок, що складаються з молекул дибензотеттіофульвалена (ДБТТФ) і молекул фуллерена C₆₀. Через особливості геометрії молекул ДБТТФ і сильну взаємодію між ДБТТФ і фуллереном, такий композит утворює почесні кристалічні шари товщиною в кілька десятків нанометрів. У цій кристалічній структурі молекули ДБТТФ і фулерена чергуються, при цьому перша виступає як донор електронів, а друга - як акцептор. Варто зазначити, що на відміну від, наприклад, неорганічних кристалів молекули в такій органічній акціонерній структурі пов'язані між собою досить слабкими і довгими зв'язками (зокрема, водневими зв'язками і силами Ван-дер-Ваальса), що значно полегшує можливість деформувати таку плівку.

Виявилося, що опромінення такого кристала світлом у видимому діапазоні призводить до перенесення електрона від ДБТТФ до фуллерену і стає причиною зміни просторової структури молекули ДБТТФ. Якщо спочатку до опромінення молекула знаходиться в одній з двох вигнутих конформацій (залежно від товщини плівки це може бути конформація «ванни», в якій два її краї загнуті в один бік, або конформація «крісла», в якій краї молекули загнуті в протилежні сторони), то опромінення світлом призводить до переходу молекули в плоский стан. Цей перехід трохи розсуває один від одного окремі елементи комплексного з'єднання і, відповідно, збільшує відстань між шарами всередині кристала, що призводить до зростання товщини плівки.

При цьому залежно від інтенсивності опромінення змінюється співвідношення молекул різних конформацій, і відповідно, змінюється відносна деформація плівки. Максимальна деформація, якої вдалося домогтися за допомогою опромінення цього матеріалу світлом, склала 5,7 відсотка, що значно більше, ніж для відомих неорганічних фотострикційних матеріалів. При цьому окремим важливим параметром цього матеріалу вчені називають короткий час відгуку. Так, перехід між двома статками займає близько 6-8 мілісекунд після включення або вимикання світла.

За словами авторів дослідження, в майбутньому подібні органічні фотострикційні матеріали можна буде використовувати, наприклад, в якості почесних механічних мікросенсорів або актуаторів. Оскільки ці плівки контрольовано (і при цьому досить сильно) деформуються при опроміненні, а крім цього, володіють гнучкістю і коротким часом відгуку, вони можуть стати важливим матеріалом як для фундаментальних, так і практичних додатків.

Щоб за допомогою опромінення світлом змінити геометрію почесних кристалів, можна використовувати найрізноманітніші підходи. Наприклад, за рахунок взаємодії світла з дефектами в графені вченим вдалося локально «надути» почесний плоский кристал, створивши в ньому об'ємні області у формі пірамід і напівсфер. А покрив графен полімерними смужками, китайські хіміки розробили технологію згинання графена за допомогою інфрачервоного випромінювання.