یک رویکرد طراحی جدید با استفاده از مشتقات رودامین اسپیرولاکتام با سنتز آسان به فوتوکرومیسم غیرخطی می‌رسد.

ترکیبات فتوکرومیک که با قرار گرفتن در معرض نور تغییر رنگ می دهند، به طور گسترده ای به عنوان سوئیچ عکس برای کنترل خواص مختلف مواد استفاده می شوند. ترکیبات غیرخطی فتوکرومیک، که با پاسخ غیرخطی به شدت نور فرودی مشخص می‌شوند، توجه ویژه‌ای را در میان محققان به خود جلب کرده‌اند، زیرا غیرخطی بودن منجر به افزایش کنتراست و بهبود وضوح فضایی در واکنش‌های فتوکرومیک می‌شود.

همچنین چندین ویژگی فتوکرومیک را در یک مولکول با یک منبع نور واحد فعال می کند. این ویژگی ها آنها را در عناصر نوری و هولوگرافی غیرخطی، میکروسکوپ با وضوح فوق العاده و کاربردهای زیست پزشکی.

ساده ترین راه برای دستیابی به فتوکرومیسم غیرخطی در مواد از طریق جذب همزمان دو فوتون است، اما این نیاز به نور بسیار با شدت بالایی دارد. واکنش‌های فتوکرومیک غیرخطی با استفاده از نور کم شدت نیاز به فرآیندهای گام به گام دو فوتونی دارند، اما طراحی آن‌ها دشوار است زیرا بر گونه‌های مولکولی بسیار کوتاه‌مدت تکیه می‌کنند.

علاوه بر این، سیستم‌های چند فتوکرومیک که واکنش‌های فتوشیمیایی گام به گام را نشان می‌دهند به ساختارهای مولکولی پیچیده نیاز دارند. چنین پیچیدگی هایی کاربرد گسترده ترکیبات فتوکرومیک غیرخطی را در بسیاری از زمینه ها محدود می کند.

روش مهم دیگر برای القای فتوکرومیسم غیرخطی، نابودی سه‌گانه-سه‌گانه (TTA) است. این به سه جزء نیاز دارد: یک حساس کننده سه گانه، یک نابود کننده و یک ترکیب فتوکرومیک که پیچیدگی قابل توجهی را اضافه می کند. اگر یک مولکول واحد بتواند این نقش ها را انجام دهد، فتوکرومیسم غیرخطی را می توان در سیستم های ساده تر به دست آورد.

در یک پیشرفت اخیر، تیمی از محققان ژاپنی به سرپرستی پروفسور یویچی کوبایاشی از گروه شیمی کاربردی در کالج علوم زیستی در دانشگاه Ritsumeikan، به فوتوکرومیسم غیرخطی با نور کم شدت با استفاده از TTA دست یافتند. تک مولکول.

پروفسور کوبایاشی توضیح می‌دهد: «رودامین اسپیرولاکتام‌ها می‌توانند نقش ترکیبات فتوکرومیک و حساس‌کننده‌های سه‌گانه را بازی کنند که مشکل پیچیدگی را حل می‌کند و می‌توان آن‌ها را به راحتی از رودامین B و آنالوگ‌های آن سنتز کرد. در این مطالعه، ما بر روی یک مشتق رودامین اسپیرولاکتام با یک گروه پریلن (Rh-Pe) تمرکز کردیم و خواص فتوکرومیک آن را بررسی کردیم.

مال آنهاست یافته ها در مجله منتشر شد Angewandte Chemie International Edition در 10 آوریل 2024

در Rh–Pe، تحریک با نور یک واکنش فتوکرومیک را ایجاد می‌کند که منجر به تشکیل ساختار باز حلقه‌ای به نام فرم باز می‌شود که منجر به تغییرات شدید رنگ می‌شود. هنگام مطالعه خواص غیرخطی فتوکرومیک آن، محققان دریافتند که بازده تغییر رنگ Rh-Pe با نور با شدت بالاتر افزایش می‌یابد.

این بدان معناست که شدت رنگ‌آمیزی و در نتیجه مقدار ایجاد شده فرم باز با افزایش شدت تحریک به صورت غیر خطی افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، هنگام تحریک با نور 365 نانومتر از a رهبری، Rh–Pe تقریباً هیچ تغییر رنگی را نشان نمی دهد. با این حال، تحریک با لیزر پالسی نانوثانیه 355 نانومتری با شدت بالاتر منجر به رنگ‌آمیزی قابل‌توجهی شد، اگرچه نور در کل انرژی کمتری داشت.

برای درک منشأ این خواص فتوکرومیک غیرخطی، محققان مکانیسم تحریک Rh-Pe را بررسی کردند. آنها دریافتند که وقتی مستقیماً با اشعه ماوراء بنفش (UV) و نور آبی برانگیخته می شود، Rh-Pe به یک حالت انتقال بار می رود، که سپس یک حالت برانگیخته سه گانه ایجاد می کند. این حالت برانگیخته سه گانه سپس تحت TTA قرار می گیرد و از طریق یک حالت میانی یک فرم باز رنگی شدید را تشکیل می دهد.

این TTA پاسخ غیر خطی به شدت نور را به حساب می آورد زیرا با نور با شدت بالاتر کارآمدتر عمل می کند. علاوه بر این، محققان نشان دادند که Rh–Pe همچنین می‌تواند فتوکرومیسم ناشی از نور قرمز و سبز را با استفاده از حساس‌کننده‌های سه‌گانه جداگانه نشان دهد، اگرچه می‌تواند مستقیماً توسط نور UV و نور آبی تحریک شود.

پروفسور کوبایاشی می گوید: “طراحی جدید ما برای ترکیبات فتوکرومیک غیرخطی غیرخطی که به راحتی سنتز می شوند، راه را برای کاربردهای متنوع آنها، مانند فوتولیتوگرافی با وضوح بالا، چاپ سه بعدی و دیسک های نوری با چگالی بالا هموار می کند.”

“نتایج ما رویکرد جدیدی را برای طراحی ترکیبات فتوکرومیک و مواد کاربردی با رفتار غیرخطی و حساسیت به طول موج بلند ارائه می دهد که به طور موثر از نور کم انرژی استفاده می کند.”

به طور کلی، نتایج این مطالعه راه‌های جدیدی را برای توسعه ترکیبات فتوکرومیک غیرخطی ساده‌تر نشان می‌دهد که راه را برای کاربردهای گسترده‌تر هموار می‌کند.