Новый метод настройки цвета через молекулярную укладку открывает путь к созданию более чувствительных датчиков давления

Сжатие кристалла меняет степень взаимодействия молекул, что изменяет цвет его свечения с зелёного при низком давлении (слева) на красный при высоком (справа). В pCP-H (нижние кристаллы) молекулы естественным образом образуют тесные пары, и когда давление сближает эти пары ещё сильнее, это усиливает взаимодействие между соседними молекулами и вызывает значительное изменение цвета флуоресценции. В другом соединении, pCP-iPr (верхние), кристаллы не образуют таких пар, что приводит к гораздо меньшему сдвигу. Автор: Университет Осаки Метрополитен.

Пьезофлуорохромизм — явление, при котором материалы обратимо меняют цвет флуоресценции под давлением, — используется для создания датчиков давления в автомобильной и медицинской промышленности. Наблюдая за изменением цвета, исследователи могут визуально распознавать такие явления, как химические изменения. Однако по мере усложнения устройств растёт спрос на способы создания более чувствительных сенсоров.

Исследовательская группа под руководством ассистент-профессора Такуи Огаки, доцента Ясунори Мацуи и профессора Хироси Икеды из Высшей школы инженерии Университета Осаки Метрополитен обнаружила новый способ управления свечением. Они выяснили, что изначально уложенный слой бензола (циклофановая часть) резко увеличивает изменение цвета флуоресценции при воздействии давления.

Результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Сложности в проектировании кристаллов, меняющих цвет

Профессор Огаки объяснил предысторию исследования. «Сложно рационально спроектировать органические кристаллы, демонстрирующие желаемое изменение цвета, — сказал он. — Даже незначительное изменение структуры органических молекул приводит к совершенно другой кристаллической структуре».

Исследователи сосредоточились на двух близкородственных кристаллических органо-боровых соединениях, содержащих специальную структурную единицу под названием [2.2]парациклофан (pCP). При воздействии очень высокого давления такие материалы демонстрируют сдвиг флуоресценции в сторону более длинных волн, в результате чего они светятся красным. Используя рентгеноструктурный анализ, они обнаружили, что причина этого изменения цвета различается у двух кристаллов.

Сравнение двух органо-боровых кристаллов

В одном кристалле, pCP-H, электронные облака естественным образом образуют пары в уложенных слоях, известных как π-димерные слои. Давление сближает эти пары ещё сильнее, усиливая слабые электронные силы между соседними молекулами и вызывая выраженное изменение цвета флуоресценции.

В другом кристалле, pCP-iPr, молекулы не образуют таких уложенных слоёв, поэтому изменение цвета в основном происходит из-за тонких изменений внутри отдельных молекул, составляющих кристалл. Это приводит к гораздо меньшему сдвигу и менее интенсивному цвету.

Значение для будущего дизайна материалов

«В условиях сверхвысокого давления мы обнаружили, что циклофаны, такие как [2.2]парациклофан, ведут себя как пружины, расширяясь и сжимаясь, чтобы изменить цвет люминесценции за счёт изменений в молекулярных взаимодействиях», — пояснил профессор Мацуи.

Вместе эти результаты показывают, что молекулярное спаривание и внутренняя молекулярная структура влияют на то, как материалы реагируют на давление, предоставляя ценное руководство для проектирования будущих материалов, чувствительных к давлению.

Профессор Икеда подвёл итог: «Поскольку материалы функционируют не только в молекулярных ансамблях, таких как кристаллические состояния, но и в монослоях, понимание обоих этих процессов, как ожидается, станет новой стратегией молекулярного дизайна».

Источник: Osaka Metropolitan University