De nombreux systèmes chimiques naturels et synthétiques réagissent et modifient leurs propriétés en présence de certains types de lumière. Ces réactions peuvent se produire trop rapidement pour que les instruments ordinaires les voient. Pour la première fois, les chercheurs ont adopté une nouvelle technique pour observer les réactions à grande vitesse. Un type particulier de réaction observé avec cette méthode pourrait conduire à une nouvelle nanotechnologie optique.

En chimie, les molécules peuvent être manipulées de différentes manières pour produire différentes choses. Isomérisation, par exemple, est un processus qui modifie l'arrangement d'une molécule mais laisse les atomes constitutifs tels qu'ils sont. Le processus se trouve dans les systèmes naturels tels que la rétine de l'œil, et des systèmes artificiels comme certains types de synthèse chimique. Dans de nombreux cas, l'isomérisation rend essentiellement une région particulière de molécules plus ou moins ordonnée.

La photoisomérisation est un type d'isomérisation qui est activé par la lumière et qui se déroule plus rapidement qu'un clignement d'œil. Le professeur Takashi Kato du département de chimie et ses collègues ont soumis des molécules de cristal liquide du composé chimique azobenzène à des fréquences spécifiques de lumière UV. La photoisomérisation d'une seule molécule d'azobenzène se produit généralement sur une échelle de temps de plusieurs centaines de femtosecondes (quadrillionièmes de seconde). C'est à peu près un milliardième à un billionième de temps qu'il vous faut généralement pour cligner des yeux ! Les chercheurs ont découvert que la molécule déclenche alors des interactions moléculaires dans les cristaux liquides sur des échelles de temps de plusieurs centaines de picosecondes (des billions de seconde).

"Nous avons montré comment changer la forme des molécules d'azobenzène d'une forme de tige droite à une forme légèrement courbée dans un processus déclenché par la photo-irradiation de la lumière UV. Cette courbure pourrait se traduire par une fonction mécanique ou électronique, " a déclaré Kato. " La réaction se propage à travers les molécules voisines dans l'échantillon, ce qui signifie que c'est un processus extrêmement efficace."

Cette réaction n'a pas lieu isolément, toutefois; elle se produit au sein d'un échantillon de matière molle dont la fonction dépend des molécules constitutives et de leurs comportements. Dans ce cas, la matière molle peut signifier n'importe quoi, d'un muscle artificiel à des capteurs photographiques flexibles ou même à des choses pas encore imaginées. Le fait important est que la réaction initiale qui ne prend généralement que quelques centaines de femtosecondes initie une réponse dans la matière molle environnante en une centaine de picosecondes, et le fait efficacement.

"C'est le mouvement intermoléculaire le plus rapide jamais observé dans la matière molle. En fait, ce que nous voulions observer était si rapide que nous avons dû utiliser des méthodes très spécialisées pour acquérir des données et visualiser ce qui s'est passé pendant ces minuscules périodes de temps, " a poursuivi Kato. " Cela n'aurait pas été possible sans certains instruments spectraux uniques faits à la main par mon collègue professeur agrégé Masaki Hada de l'Université de Tsukuba. "

Les méthodes sont connues sous le nom de spectroscopie de transmission transitoire ultrarapide, qui est un moyen précis d'enregistrer la composition d'un échantillon moléculaire, et diffraction d'électrons résolue en temps ultrarapide, ce qui est analogue à une radiographie et c'est ainsi que les images de la réaction ont été observées. Notez que les deux méthodes sont appelées « ultrarapide, " ce qui montre simplement que d'autres méthodes auraient été insuffisantes pour capturer des données avec la résolution temporelle souhaitée par les chercheurs.

"J'ai travaillé sur des assemblages moléculaires ordonnés tels que des systèmes d'auto-assemblage pendant plus de 35 ans en tant que chimiste depuis que je suis étudiant diplômé. Cette recherche fait avancer la chimie fondamentale des molécules photosensibles dans la matière molle ainsi que leurs applications photomécaniques ultrarapides, " a conclu Kato. " C'est un réel privilège pour moi et mes collègues de travailler sur ce genre de projet. Nous espérons que cela pourra contribuer à la conception de matériaux à base moléculaire tels que les mécanismes à corps mou et les matériaux photo-fonctionnels. »