UV ışığı termokromik kristalleri zarar vermeden desenler, renk değiştiren tasarımların kilidini açar

Renk değiştiren ruh hali halkaları, alın ateşi şeritleri ve araba gölge göstergelerinin tümü, termokromizm adı verilen bir olgu sayesinde, ısındıkça ve soğudukça renk tonlarını değiştiriyor. Daha küçük ölçekte termokromizm sensörler, elektronik ve bilgisayar gibi nanoteknolojilerde kullanılır. Bu uygulamalar, yapısal bütünlüğü kaybetmeden tasarımlara dönüştürülebilecek akıllı malzemeler gerektirir ki bu da zor olabilir.

Yakın zamanda yapılan bir çalışmada Yale araştırmacıları, malzemelerin ışık bazlı desenlenmesinin, antrasen heterodimer adı verilen bir “bağlayıcı” molekülle sağlanabileceğini gösterdi. Sorumlu yazar ve kimya yardımcı doçenti Amymarie Bartholomew, “Fiziksel olarak bozulmadan dönüştürebileceğiniz malzemeler yapmak amacıyla yeni bir ligand formu yaptık” dedi.

Yaklaşımları, bir malzemenin manyetizmasını veya elektriksel iletkenliğini modellemek için kullanılabilir ve enerji depolama ve salınımı, spintronik ve kuantum bilgi biliminde bulunanlar gibi daha gelişmiş nanoteknolojileri mümkün kılar.

Çalışma şu dergide yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi ve Bartholomew’un laboratuvarında Yale doktora sonrası araştırmacısı Eric Schreiber tarafından gerçekleştirildi.

Termokromik malzemelerle ilgili sorun

“Y” dışındaki her şeyin sıcaklık değişimleriyle renk değiştiren, ısıyla etkinleşen bir teknoloji olduğu “akıllı” bir Yale sweatshirt’ü hayal edin. Science Hill’de yürürken terlemek kumaşın maviden yeşile dönmesine neden olabilir. Ayrıca vücut ısınız, soğutma bilekliklerini ve sağlık verileri takibini etkinleştirir.

Tişörtün renkle boyanması yerine ışıkla “yazılıyor”. Ultraviyole (UV) ışık, Y logosunu çevreleyen malzemeyi hedef aldığından, esasen malzemenin o spesifik bölgesinin kimyasal yapısını yeniden yazar, böylece değişen sıcaklıkla farklı şekilde davranır.

Özetle, modellenebilir termokromizmde gerçekleşen şey budur.

Ancak bu akıllı malzemeleri yapmanın zorluğu, mevcut foto-desenleme yöntemlerinin malzemeye zarar verme eğiliminde olmasıdır.

Heterodimer ve kafes

Schreiber ve Bartholomew, kristal bir “iskele” veya metal-organik bir çerçeve (MOF) kullanarak fotomodellenebilir bir malzeme yaratmaya başladı. Yapısal ayarlanabilirliği, gözenekliliği ve kimyasal duyarlılığı nedeniyle mükemmel bir yapı taşıdır.

İlk olarak, ışınlama üzerine malzemeyi bozmadan değişebilecek, ışığa duyarlı bir molekül bulmaları gerekiyordu. Antrasen dimerleri kriterleri karşıladı. Yapısı bir halka yığınına benzeyen karbon açısından zengin molekül, ışık altında başka bir antrasen ile birleşip daha sonra tekrar ayrılabiliyor.

Bununla birlikte, önceki çalışmalarda antrasen-dimer MOF’ler, ışıkla tetiklenen bölünme üzerine sıklıkla çerçeve boyutsallığını kaybetmiştir. Sonuç olarak kristaller hasar gördü, stabilite azaldı ve genel olarak güvenilmez oldu.

Bunun üstesinden gelmek için araştırmacılar, birbirine bağlanmış iki farklı antrasen kombinasyonundan oluşan bir antrasen heterodimer sentezlediler. Bunu bakır bağlantılı bir kafes oluşturmak için bağlayıcı olarak kullandılar.

Bu başlangıç ​​malzemesiyle deneylerine başladılar.

Desenleme çalışmalarında geleneksel olduğu gibi, araştırmacılar üniversite harflerini (Yale “Y”) bilimlerini göstermek için bir fotoğraf maskesi olarak kullandılar.

Schreiber, “Grubumuzda çok sayıda gerçekten harika bilimin yanı sıra sağlıklı miktarda sanat ve zanaat yaptığımızı söylemekten hoşlanıyoruz” dedi. “Bu özel proje, minik Y’lerin kesilip bir yüzeye bantlanmasını içeriyordu.

“Bir ustura aldım ve bir kağıt parçasını Y şeklinde kestim, bu fotoğraf maskesini malzemenin üstüne koydum ve üzerine kısa dalga UV ışığı tuttum” diye açıkladı. “Bu, Y’nin altındaki her şeyi bozulmamış durumda tuttu ve etrafındaki her şey termokromik malzemeye dönüştü.”

Araştırmacılar, kafesteki bağlayıcının dimerik formunu kullandıklarında, sıcaklık değişimi göstermeyen soluk mavi bir katı elde ettiklerini buldular. Ancak dimer bölünürse malzeme termokromik hale geliyor ve oda sıcaklığında kahverengi, soğukta soluk yeşil görünüyor.

Bu bilgiyle grup, dönüşümü mekansal olarak kontrol edebildi, böylece bazı bölgeler sıcaklıkla desenlenip renk değiştirirken diğerleri değişmedi.

Bartholomew, “Özellikleri desenli bir şekilde değiştirirken malzemenin boyutsallığını ve fiziksel birbirine bağlılığını korudu” dedi.

Tipik foto-desenlemenin aksine, malzemenin hasara yol açabilecek fotodirenç müdahalelerine ihtiyacı yoktu. Artık üreticiler, bir maske aracılığıyla UV’ye maruz kalmayı kullanarak termokromik davranışı yalnızca istedikleri yerde “açabilirler”.

Bartholomew, “Daha geniş anlamda, bulgularımız, yeni bir antrasen heterodimer ligandını kullanarak katılarda foto-modellenebilir özellikler elde etmek için yeni bir stratejiyi temsil ediyor” dedi.