Základem japonského mini jeřábu, který pracuje, když se na něj svítí, je kokrystal. Půvabné slovo „ cocrystal “ bylo poprvé použito v roce 1963 a od té doby se vědci přou o jeho definici. Někteří mezi ně řadí i hydráty a soli. Za pokojové teploty je hranice mezi kokrystalem a solí neostrá. Kdo by se chtěl o nich dovědět více - zde je odkaz.
Kokrystal v japonském podání je substance náležející do takzvaných „chytrých“ materiálů. Smart materiály umí některou ze svých vlastností jako tvar, vodivost nebo barva, výrazně a vratně měnit se změnami vnějších podmínek. Reagují na vnější podněty jako jsou teplo, mechanické napětí, elektrické pole, světlo. V praxi se s nimi setkáváme v zařízeních pasivně a aktivně tlumících vibrace, jsou základem čidel pro airbagy, fungují jako akustické měniče, chirurgové nám pomocí chytrých stentů rozšiřují zkornatělé cévy. Prosazují se jako světlocitlivá skla, tkaniny,..
Japonské „udělátko“ pracuje na principu fotochromie. Ottův slovník naučný o ní říká, že jde o pojem z řečtiny a jest to zjev poprvé Becquerelem (1848) zevrubněji studovaný, kde na deskách vůči světlu citlivých osvětlením se vyvolají barvy souhlasné s barvami světla dopadajícího, a ne toliko různě temné odstíny odpovídající chemické působivosti paprsků dopadajících, jako jest tomu při fotografii.
Dnes fotochromii chápeme jako světlem navozenou chemickou transformaci mezi dvěma isomery, které mají rozličné absorpční spektrum. Tato změna ale musí být vratná. Mezi mnoha typy fotochromních materiálů se v poslední době prosazují deriváty diaryletylénu. Zatím se s nimi uvažovalo v optoelektronice, protože nad ostatními materiály s fotochromním efektem vynikají tím, že ireversibilita jejich změny a únava nezávisejí na teplotě. Deriváty diaryletylénu se pod ultrafialovým světlem z bezbarvých krystalů mohou měnit na žluté, červené, modré, nebo zelené. Efekt je důsledkem světlem vygenerovaného uzavírání kruhu izomerů. Při dopadu viditelného světla se barevné krystaly mění zpět do své základní „otevřené“ izomerní formy a stávají se bezbarvými. Proces zbarvování a odbarvování lze opakovat zhruba desettisíckrát a proto je zajímavý například jako medium pro uchování dat a nebo pro barevné displeje.
Z pohledu krystalového inženýrství zde jde o nekovalentní vazby mezi organickými molekulami. To se týká případu japonských kokrystalů - dvoukomponentních krystalů s mřížkou tvořenou komplementárními páry organických molekul. Kokrystal tvoří dva druhy diaryletylénu: 1,2-bis(2-metyl-5-(1-naftyl)-3-thienyl)perfluorocyklopentan a perfluoronaftalen.
Princip fotochromního efektu (otevírání a uzavírání kruhu isomeru, které u nanovrstev dvou typů diaryletylénů vlivem působení UV a světla probíhají a při nichž se molekula smrskne, popsal Morimoto již v roce 2003. Při provedených testech síla toku elektronů korespondovala s uzavíráním vazeb mezi dvěma uhlíky v etyl skupině (podrobnosti zde).
Přeměnit pohyby malých molekul na užitečnou mechanickou práci se vědci snaží již dlouho, ale teprve až Morimotovu týmu se podařilo vyrobit dostatečně velké krystaly, které se ohýbají a zase se vrací zpět se zajímavou životností a výkonem. Vyrobený zvedák machruje s kuličkou, která váží až 600 krát více než samotné rameno. Fotoefektem vědci generují tah, který je na molekulární úrovni 100 krát větší, než jaký dosahují svalová vlákna (myofibrily). Alternativní ozáření UV a viditelným světlem způsobuje změnu tvaru molekuly krystalu. Tento jev je již několik let znám ale zatím se jej dařilo provést v tak malých a křehkých krystalcích, že byly v reálném světě aplikací k nepotřebě.
Při ozáření UV světlem (365 nm) krystal zmodrá a ohýbá se směrem od zdroje světla (ve směru toku světla). K ohybu dochází proto, že UV záření změní tvar molekuly diaryletylénu a v důsledku toho se zvětší rozměry krystalové mřížky. Pokud UV světlo svítí a nebo je krystal ve tmě, drží svůj „ohnutý“ tvar. Fotocyklení diaryletylénu působením UV vyvolá anizotropní expanzi krystalu při běžné pokojové teplotě. Při nízké teplotě děj probíhá v řádu mikrosekund. K efektu a ohybu ramene dochází dokonce i při teplotě 4,7 Kelvinů.
Když se na ohnutý krystal posvítí viditelným světlem (440 nm), vrátí se do svého původního tvaru. Tak jak se rameno narovnává, mizí i jeho modrá barva. Celý cyklus fotostimulace, aniž by došlo k poškození krystalu, se dá zopakovat více než 250krát.
Praktickou aplikovatelnost svého výzkumu vědci demonstrovali na „mini jeřábu“, jehož rameno o hmotnosti 0,17 mg zvedalo dvoumilimetrovou kuličku (46,77 mg).
Jen o málo „robustnější“ rameno (0,18 mg) zvládlo dokonce závaží jehož hmotnost 110,45 mg je 614krát těžší než krystal, který to zajišťoval. Tento systém dokáže generovat značnou sílu (1,1 mN) a vykonávat mechanickou práci (0,43 microJ). Jde o další příklad mechanického pohybu založeného na změnách struktur jednotlivých molekul. Podobný jev generuje pohyb našich končetin. Porovnáním těchto systémů zjistíme, že zatímco sval je schopen vyvinout tažnou sílu působící na jednotkovou plochu 0,3 MPa (vyjádřeno v jednotkách tlaku), krystalové rameno pracuje s tlakem 44 MPa, tedy s hodnotou srovnatelnou s tím, co vyvinou piezoelektrické materiály (50 MPa), jež se osvědčily jak při přeměně mechanického namáhání na získávání elektrostatického náboje, tak k přeměně vnějšího elektrického pole k deformaci krystalu. Vědci si myslí, že japonský příklad světlem řízených kokrystalů by se mohl uplatnit například v miniaturních bioreaktorech, kde by zastávaly funkci ventilů ovládaných světlem. Aplikací v mikro a nanomechanice se ale časem najde mnohem více.
Pramen: J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja105356w
Diskuze:
