Samoorganizacja lub samoorganizacja w nauce molekularnej odnosi się do zjawisk, w których cząsteczki spontanicznie zbierają i tworzą uporządkowane struktury, unikalną właściwość materiałów używanych do opracowywania materiałów optycznych i elektronicznych. W kroku w kierunku dopracowania tej nieruchomości naukowcy z Japonii z powodzeniem wyjaśnili technikę, w której niewielka ilość resztkowych agregatów drastycznie zmieniła proces samoorganizacji cząsteczek fotograficznych. Zespół badawczy prowadził profesor Shiki Yagai z Graduate School of Engineering University, w tym asystent profesora Takuho Saito z Uniwersytetu Nagoya (w czasie badań), Daisuke Inuoe i adiunkt Yuichi Kitamoto z Uniwersytetu Tohoku, jako główni współpracownicy tej pracy. Wyniki ich badań zostały opublikowane online w Nature Nanotechnology 11 kwietnia 2025 r.
W ostatnich latach coraz większy nacisk polegał na kontrolowaniu wielkości i hierarchicznych struktur samoorganizujących się agregatów, które mogą pomóc w osiągnięciu agregatów o pożądanych właściwościach. Jednak samoorganizacja jest procesem dynamicznym i wymaga precyzyjnej kontroli. „Podczas procesu samoorganizacji cząsteczki wielokrotnie nadal kojarzą się i dysocjują”, wyjaśnia prof. Yagai, „nawet niewielkie zanieczyszczenia lub niewielkie zmiany warunków mogą wpływać na końcową strukturę utworzonych agregatów”.
W badaniu zespół badawczy skoncentrował się na samoorganizacji chiralnej, fotoretywicznej azobenzenu, która naturalnie tworzy leworęczne agregaty spiralne. Zespół odkrył, że obecność niewielkiej ilości resztkowych agregatów w roztworze indukuje drastyczną zmianę procesu montażu i prowadzi do tworzenia praworęcznych kruszyw spiralnych. Ponadto bycie fotoresponem, kontrola ekspozycji na światło modyfikuje również czas zespołu molekularnego. Stosując dokładną kontrolę tych dwóch właściwości razem, naukowcy z powodzeniem manipulowali tworzeniem się leworęcznych lub praworęcznych agregatów spiralnych w razie potrzeby.
W badaniach spektroskopowych i modelowania molekularnego zespół stwierdził, że gdy cząsteczka azobenzenowa w kształcie nożyc jest rozpuszczona w organicznym rozpuszczalniku w temperaturze pokojowej, tworzy zamkniętą złożoną strukturę podobną do nożycową, która rozciąga się na złożenie spiralne. Prof. Yagai wyjaśnia powstawanie zespołu leworęcznego, mówiąc: „Cząsteczka zawiera atom węgla, który ma cztery różne grupy atomowe, a zatem wykazuje chiralność. Te cząsteczki składają się jak nożyczki leworęczne i skręcają, tworząc leworęczny spiralny układ zgromadzenia”.
Ponieważ są to cząsteczki fotoreakcyjne, gdy ułożone struktury spiralne są narażone na słabe światło ultrafioletowe (UV), zespół spiralny ponownie rozpada się w poszczególnych cząsteczkach, a po późniejszej ekspozycji na światło widzialne, cząsteczki wbijają się w struktury helikalne. Co ciekawe, pod pewnymi warunkami powstałe helikalne agregaty były praworęczne zamiast leworęcznych, a ekspozycja na silniejsze światło UV, a następnie światło widzialne doprowadziło do regeneracji oryginalnych leworęcznych agregatów spiralnych.
Zdecydowanie badając ten mechanizm, zespół stwierdził, że gdy roztwory były narażone na słabe światło UV, istniała niewielka ilość resztkowych leworęcznych agregatów, które pozostały niezmienione, a agregaty te działały jako miejsca zarodkowania tworzące przeciwnie skierowane ze sobą zespoły spiralne. „To niezwykłe zjawisko nazywa się„ wtórnym zarodkowaniem ”, które wyjaśnia, dlaczego meta-stabilne agregaty praworęczne są najlepiej powstałe zamiast leworęcznych agregatów”, mówi prof. Yagai.
Oprócz tego zespół odkrył również rolę intensywności światła w procesie montażu molekularnego. Prof. Yagai wyjaśnia: „Zidentyfikowaliśmy, że intensywność światła widzialnego potencjalnie wpłynęła na czas zespołu. Silne światło widzialne promowane szybkie montaż jednocześnie minimalizując wpływ resztkowych agregatów. Natomiast słabość intensywność powiększa wpływ resztkowych agregatów”.
Dlatego, optymalizując intensywności UV i światła widzialnego, naukowcy z powodzeniem kontrolowali przełączanie między strukturami spiralnymi lewymi i praworęcznymi, które były zależne od wpływu resztkowych agregatów. Ponadto stwierdzono również, że stabilne leworęczne agregaty i meta-stabilne agregaty praworęczne wykazują również przeciwną polaryzację spinów elektronowych, co oznacza dostrajanie elektronicznych cech helis.
Ogólnie rzecz biorąc, to badanie miało na celu zbadanie kluczowej roli resztkowych agregatów i wyjaśniło, w jaki sposób dokładne dostrajanie z obsługą światła może spowodować wytwarzanie nowych materiałów funkcjonalnych, co daje obiecujące wgląd w dziedzinę materiałów materialnych.