Изображение:
Angewandte Chemie, международное издание
(2024). DOI: 10.1002/anie.202404140.
Фотохромные соединения, меняющие свой цвет под воздействием света, широко используются в качестве фотопереключателей для управления различными свойствами материалов. Нелинейные фотохромные соединения, характеризующиеся нелинейной реакцией на интенсивность падающего света, привлекли особое внимание исследователей, поскольку нелинейность приводит к усилению контраста и улучшению пространственного разрешения в фотохромных реакциях.
Это также позволяет реализовать несколько фотохромных свойств в одной молекуле с одним источником света. Эти качества сделали их ценными в нелинейных оптических и голографических элементах, микроскопии сверхвысокого разрешения и биомедицинских приложениях.
Самый простой способ добиться нелинейного фотохромизма в материалах — одновременное двухфотонное поглощение, но для этого требуется свет чрезвычайно высокой интенсивности. Для нелинейных фотохромных реакций с использованием света низкой интенсивности необходимы ступенчатые двухфотонные процессы, но их сложно спроектировать, поскольку они основаны на чрезвычайно короткоживущих молекулярных частицах.
Более того, мультифотохромные системы, в которых происходят ступенчатые фотохимические реакции, требуют сложных молекулярных структур. Такие сложности ограничили широкое применение нелинейных фотохромных соединений во многих областях.
Другим важным методом индукции нелинейного фотохромизма является триплет-триплетная аннигиляция (ТТА). Для этого требуются три компонента: триплетный сенсибилизатор, аннигилятор и фотохромное соединение, что существенно усложняет задачу. Если одна молекула может выполнять эти роли, нелинейный фотохромизм может быть достигнут в более простых системах.
В результате недавнего прорыва группа исследователей из Японии под руководством профессора Йоичи Кобаяши с кафедры прикладной химии Колледжа наук о жизни Университета Рицумейкан достигла нелинейного фотохромизма с использованием света низкой интенсивности, используя ТТА в одной молекуле.
Профессор Кобаяши объясняет: «Родамин спиролактамы могут играть роль как фотохромных соединений, так и триплетных сенсибилизаторов, что решает проблему сложности, и их можно легко синтезировать из родамина B и его аналогов. В этом исследовании мы сосредоточились на родамине спиролактаме. производное, имеющее периленовую группу (Rh–Pe), и исследовали его фотохромные свойства».
Их Выводы были опубликованы в журнале Angewandte Chemie, международное издание 10 апреля 2024 г.
В Rh-Pe возбуждение светом запускает фотохромную реакцию, приводящую к образованию структуры с раскрытием кольца, называемой открытой формой, что приводит к резким изменениям ее цвета. Изучив его нелинейные фотохромные свойства, исследователи обнаружили, что эффективность изменения цвета Rh-Pe увеличивается при более интенсивном свете.
Это означает, что интенсивность окраски и, следовательно, количество генерируемой открытой формы возрастает нелинейно с увеличением интенсивности возбуждения. Например, при возбуждении светом с длиной волны 365 нм от светодиода Rh–Pe практически не изменил цвет. Однако возбуждение более интенсивным наносекундным импульсным лазером с длиной волны 355 нм привело к значительному окрашиванию, хотя в целом свет имел меньшую энергию.
Чтобы понять природу этих нелинейных фотохромных свойств, исследователи изучили механизм возбуждения Rh-Pe. Они обнаружили, что при прямом возбуждении ультрафиолетовым (УФ) и синим светом Rh-Pe переходит в состояние с переносом заряда, которое затем создает триплетное возбужденное состояние. Это триплетное возбужденное состояние затем подвергается ТТА, образуя ярко окрашенную открытую форму через промежуточное состояние.
Этот ТТА учитывает нелинейную реакцию на интенсивность света, поскольку он работает более эффективно при свете более высокой интенсивности. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что Rh-Pe также может проявлять фотохромизм с фотохромизмом, индуцированным красным и зеленым светом, с использованием отдельных триплетных сенсибилизаторов, хотя он может напрямую возбуждаться ультрафиолетовым и синим светом.
«Наша новая разработка легко синтезируемых нелинейных фотохромных соединений проложит путь к их разнообразным применениям, таким как фотолитография высокого разрешения, 3D-печать и оптические диски высокой плотности», — говорит профессор Кобаяши.
«Наши результаты предлагают новый подход к разработке фотохромных соединений и функциональных материалов с нелинейным поведением и длинноволновой чувствительностью, которые эффективно используют низкоэнергетический свет».
В целом, результаты исследования открывают новые возможности для разработки более простых нелинейных фотохромных соединений, открывая путь для более широкого применения.
Предоставлено Университетом Рицумейкан.