Investigadores de la Universidad de Chiba e instituciones asociadas en Japón han logrado avances significativos en la comprensión de cómo las variaciones en la intensidad de la luz pueden facilitar la creación de conjuntos moleculares fuera de equilibrio, lo que podría conducir al desarrollo de materiales adaptativos. Los hallazgos, publicados recientemente en la revista Chem, resaltan la capacidad de un sistema polimérico supramolecular recientemente desarrollado para cambiar entre diferentes estados dimensionales en función de la intensidad de la luz que recibe.
Los sistemas que están fuera de equilibrio y se desvían del equilibrio termodinámico típico han presentado desafíos importantes en la ciencia de materiales. Aunque investigaciones anteriores han creado con éxito tales sistemas mediante la aplicación de fuentes de energía como combustibles químicos o luz, pocas han demostrado efectivamente una capacidad de adaptación para cambiar entre estados en respuesta a diferentes entradas de energía. Esta adaptabilidad es crucial para diseñar materiales avanzados que puedan responder dinámicamente a los cambios ambientales, asemejándose a las funcionalidades de entidades biológicas.
Dirigida por el profesor Shiki Yagai, la investigación también incluyó contribuciones del Dr. Christian Ganser, el profesor Masaki Kawano y el profesor asistente Kenta Tamaki. Los investigadores intentaron cerrar la brecha entre los cambios estructurales a nivel molecular y disposiciones más amplias a nanoescala en su búsqueda de sistemas que respondan a la luz.
En su investigación, el equipo introdujo una unidad de fotoconmutación, específicamente azobenceno, en una estructura molecular conocida por su capacidad para organizarse en diferentes estructuras de ensamblaje en diferentes condiciones. La integración de este componente sensible a la luz con las propiedades del polimorfismo supramolecular permitió la generación de estructuras que pueden cambiar en respuesta a la intensidad de la luz.
Utilizando microscopía rápida de fuerza atómica (HS-AFM), el estudio reveló cómo la molécula recién sintetizada podría autoensamblarse en nanofibras enrolladas unidimensionales (1D) y transformarse espontáneamente en nanohojas bidimensionales (2D) bajo luz ambiental debido a reordenamientos de enlaces de hidrógeno. Cuando se expusieron a una fuerte luz ultravioleta, estas nanohojas 2D se convirtieron nuevamente en nanofibras 1D cuando el azobenceno se sometió a fotoisomerización, reconfigurando los patrones de enlaces de hidrógeno.
El estudio también observó los efectos de una luz ultravioleta más débil. En estas condiciones, las nanohojas más pequeñas se desmontaron en gran medida, mientras que las nanohojas más grandes experimentaron un crecimiento vertical y evolucionaron hasta convertirse en nanocristales tridimensionales (3D). Este fenómeno se remonta a un mecanismo de maduración de Ostwald, en el que las estructuras más pequeñas se disuelven, lo que permite que las moléculas se vuelvan a depositar en nanohojas más grandes, facilitando su crecimiento.
La investigación proporciona información valiosa sobre las transformaciones estructurales impulsadas por la intensidad de la luz y destaca el potencial para diseñar materiales altamente funcionales que puedan responder de forma adaptativa a estímulos externos. Al comentar las implicaciones para futuras investigaciones, el profesor Yagai señaló que la incorporación de funciones fotoactivas, electroactivas o catalíticas adicionales en los diseños moleculares podría conducir a sistemas que ajusten de forma autónoma sus propiedades funcionales en respuesta a cambios en el medio ambiente.
