Muitos sistemas químicos naturais e sintéticos reagem e mudam suas propriedades na presença de certos tipos de luz. Essas reações podem ocorrer muito rapidamente para os instrumentos comuns verem. Pela primeira vez, pesquisadores adotaram uma nova técnica para observar as reações de alta velocidade. Um tipo especial de reação observada com este método pode levar a uma nova nanotecnologia óptica.

Na quimica, as moléculas podem ser manipuladas de maneiras diferentes para produzir coisas diferentes. Isomerização, por exemplo, é um processo que muda o arranjo de uma molécula, mas deixa os átomos constituintes como estão. O processo é encontrado em sistemas naturais, como a retina do olho, e sistemas artificiais como certos tipos de síntese química. Em muitos casos, a isomerização essencialmente torna uma região particular de moléculas mais ou menos ordenada.

A fotoisomerização é um tipo de isomerização que é ativado pela luz e ocorre mais rápido do que um piscar de olhos. O professor Takashi Kato, do Departamento de Química, e seus colegas submeteram as moléculas de cristal líquido do composto químico azobenzeno a frequências específicas de luz ultravioleta. A fotoisomerização de uma única molécula de azobenzeno normalmente ocorre em uma escala de tempo de centenas de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo). Isso é cerca de um bilionésimo a um trilionésimo do tempo que normalmente leva para você piscar! Os pesquisadores descobriram que a molécula desencadeia interações moleculares em cristais líquidos em escalas de tempo de centenas de picossegundos (trilionésimos de segundo).

"Mostramos como mudar a forma das moléculas de azobenzeno de uma forma de haste reta para uma forma levemente curvada em um processo desencadeado por fotoirradiação de luz ultravioleta. Essa curvatura pode se traduzir em alguma função mecânica ou eletrônica, "disse Kato." A reação se propaga através de moléculas vizinhas na amostra, o que significa que é um processo extremamente eficiente. "

Esta reação não ocorre isoladamente, Contudo; ocorre dentro de uma amostra de matéria mole, cuja função depende das moléculas constituintes e de seus comportamentos. Nesse caso, matéria mole pode significar qualquer coisa, desde um músculo artificial a sensores fotográficos flexíveis ou mesmo coisas ainda não imaginadas. O fato importante é que a reação inicial, que normalmente leva apenas centenas de femtossegundos, inicia uma resposta na matéria mole circundante em cerca de cem picossegundos, e o faz de forma eficiente.

"Este é o movimento intermolecular mais rápido já observado dentro da matéria mole. Na verdade, o que queríamos observar era tão rápido que tivemos que usar alguns métodos muito especializados para adquirir dados e visualizar o que aconteceu durante esses intervalos de tempo minúsculos, "continuou Kato." Isso não teria sido possível sem alguns instrumentos espectrais feitos à mão, feitos por meu colega, o professor associado Masaki Hada, da Universidade de Tsukuba.

Os métodos são conhecidos como espectroscopia de transmissão transiente ultrarrápida, que é uma maneira precisa de registrar a composição de uma amostra molecular, e difração de elétrons resolvida em tempo ultrarrápida, que é análogo a um raio-X e é como as imagens da reação foram observadas. Observe que ambos os métodos são chamados de "ultrarrápido, “o que só serve para mostrar que outros métodos teriam sido insuficientes para capturar os dados com a resolução de tempo que os pesquisadores desejavam.

"Trabalhei em montagens moleculares ordenadas, como sistemas de automontagem, por mais de 35 anos como químico, desde que era um estudante de graduação. Essa pesquisa avança a química fundamental de moléculas fotorresponsivas em matéria mole, bem como suas aplicações fotomecânicas ultrarrápidas, "concluiu Kato." É um verdadeiro privilégio para mim e meus colegas trabalhar neste tipo de projeto. Esperamos que isso possa contribuir para o design de materiais de base molecular, como mecanismos de corpo mole e materiais fotofuncionais. "