Un descubrimiento revoca importantes hipótesis de la fotoquímica de los cristales.
Un cristal molecular muestra la propagación de una reacción fotoquímica
Los materiales sensibles a estímulos, cuyas propiedades físicas cambian en respuesta a estímulos externos como la luz y el calor, se están estudiando ampliamente como materiales funcionales de próxima generación. En especial, los materiales fotosensibles están atrayendo mucha atención porque sus propiedades fisicoquímicas pueden modularse a distancia sin necesidad de contacto físico. Los cristales moleculares fotomecánicos, que consisten en moléculas que experimentan reacciones fotoquímicas tras la irradiación de luz, son uno de los materiales fotosensibles que más se están investigando por su comportamiento fotorresponsivo único.
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Se pensaba que las reacciones fotoquímicas se producían de manera uniforme, de modo que cuando la luz incide sobre los cristales de manera uniforme, éstos cambian de color de manera uniforme. Pero un grupo de investigación de la Universidad Metropolitana de Osaka ha descubierto que un cristal molecular fotomecánico, la 2,5-distirilpirazina (DSP), experimenta reacciones fotoquímicas de forma diferente, con un cambio de color que se extiende desde los bordes del cristal y se propaga hacia su centro.
Daichi Kitagawa, Osaka Metropolitan University
A diferencia de lo que ocurre en las soluciones, donde las moléculas existen de forma independiente, en los cristales las moléculas están dispuestas de forma densa y regular, por lo que hay que tener en cuenta la dinámica única de las fotorreacciones en los cristales. Sin embargo, los estudios previos sobre materiales cristalinos moleculares fotorreactivos han asumido normalmente que las fotorreacciones en cristales proceden como las de las soluciones y siguen la cinética de fotorreacción clásica. Así pues, la comprensión de los cambios en las propiedades fisicoquímicas basada en la cinética de reacción fotoquímica en cristales ha sido un problema para el desarrollo futuro de este campo de investigación.
Un grupo de investigación dirigido por Kohei Morimoto, estudiante de tercer año de doctorado en la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad de la Ciudad de Osaka, y el Dr. Daichi Kitagawa y el profesor Seiya Kobatake, de la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka, ha descubierto que las fotorreacciones en cristales de 2,5-distrililpirazina (DSP) se propagan desde cada uno de los bordes del cristal hacia su centro. Los resultados de la investigación se publicaron en línea en Angewandte Chemie International Edition el 3 de noviembre de 2022.
Normalmente, cuando la luz incide uniformemente sobre un cristal, el cambio de color causado por la fotorreacción también se produce uniformemente. Sin embargo, el grupo de investigación descubrió que, en los cristales DSP, el cambio de color comenzaba en el borde del cristal y avanzaba hacia el centro, propagando la fotorreacción como una onda. El grupo de investigación determinó que esta propagación del cambio de color del borde al centro se produce por dos razones: un efecto superficial, que hace que la reactividad sea extremadamente alta en los bordes del cristal, y un efecto cooperativo, que también eleva la reactividad de las moléculas cuyos vecinos ya han cambiado de color.
"Este fenómeno, que se aparta de la concepción convencional de la fotoquímica, es muy importante para comprender la ciencia básica de las fotorreacciones", afirma el Dr. Kitagawa. "En el futuro, nos gustaría aclarar las condiciones necesarias para que se produzca esta fotorreacción única y explorar cómo pueden utilizarse para crear nuevos materiales funcionales que aprovechen este fenómeno."
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