Слово «кристалл» обычно вызывает в нашем сознании образы драгоценных камней, таких как бриллианты. Обычно связывая такие слова, как «твердость» и «жесткость» с кристаллами, мы, скорее всего, не будем считать их гибкими. Однако определенные «молекулярные кристаллы» могут изгибаться, скручиваться и даже прыгать при возбуждении светом или теплом и привлекли внимание химиков, материаловедов и инженеров из-за их потенциального применения в исполнительных механизмах, искусственных мышцах и мягкой робототехнике.
Секрет замечательных механических свойств молекулярных кристаллов заключается в «фотоизомеризации», процессе, в котором молекула приобретает другую структуру за счет поглощения света. Однако несколько недостатков, таких как медленный механический отклик и ограниченный выбор длины волны для индуцирования фотоизомеризации, ограничивают применимость молекулярных кристаллов. Более того, только очень тонкие кристаллы (до 20 микрон) могут показать заметный механический отклик.
Теперь, в недавнем исследовании, опубликованном в Журнале Американского химического общества, ученые из Японии подняли вещи на новый уровень, заставив толстые кристаллы быстро изгибаться под действием ультрафиолетового света, используя так называемый «фототермический эффект», явление, при котором тепло создается захватывающими материалами со светом.
Исследователь Хидеко Косима из Университета Васэда, Япония, который руководил исследованием, излагает их мотивацию: «В прошлом году наша команда случайно обнаружила, что фототермический эффект заставляет кристалл быстро сгибаться, но мы не могли объяснить почему. На этом фоне, мы стремились создать новый, более быстро изгибающийся кристалл и прояснить лежащий в его основе механизм».
Ученые впервые подвергли тонкую производную кристалла ультрафиолетовому свету и получили существенный изгиб в течение примерно 1 секунды. Однако угол изгиба быстро уменьшался с увеличением толщины кристалла, показывая, что изгиб был вызван фотоизомеризацией. Все изменилось, когда при освещении толстого (> 40 микрон) кристалла ультрафиолетовым светом они наблюдали чрезвычайно быстрое изгибание в течение нескольких миллисекунд, отчетливую сигнатуру фототермического эффекта. Кроме того, используя импульсный ультрафиолетовый лазерный свет, они могли заставить кристаллы изгибаться с частотой 500 Гц (циклов в секунду).
Затем ученые определили теплопроводность кристалла с помощью анализа температурных волн и предложили потенциальный механизм изгиба, в котором нестационарный температурный градиент в направлении толщины вызывает высокоскоростной изгиб. Путем численного расчета градиента температуры они смоделировали изгибающее движение, чтобы подтвердить предложенный механизм.
Команда очень довольна результатами своих исследований.
«Поскольку фототермический эффект возникает почти во всех кристаллах, которые поглощают свет, любой свет может перемещать любой кристалл с высокой скоростью. Кроме того, теперь можно моделировать изгибающее движение, что обеспечивает основу для практических приложений, таких как световые приводы. Более того, эти активируемые светом механические кристаллы можно использовать для создания новых мягких роботизированных структур, обеспечивающих безопасное взаимодействие человека и робота», — взволнованно размышляет Косима.
