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Kristalline Verbeugung

Makroskopische Selbstoszillation: Kristall beugt und streckt sich unter blauem Licht

24.05.2016

Mikroroboter und Nanomaschinen sind keine reine Utopie mehr. Eine der größten Herausforderungen ist jedoch noch immer, die Bewegung einzelner Moleküle oder Molekülverbände in eine strukturierte makroskopische Bewegung zu übertragen, die sich so lange kontinuierlich wiederholt, wie das System mit Energie versorgt wird. Japanische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein solches selbstoszillatorisches System vor: einen plättchenförmigen Kristall, der sich abwechselnd beugt und wieder streckt– im stetigen Wechsel, solange er in Wasser mit blauem Licht bestrahlt wird.

Bei den Plättchen, die das Team um Sadamu Takeda und Yoshiyuki Kageyama von der Hokkaido University (Sapporo) enwickelt hat, handelt es sich um Mischkristalle aus Ölsäure und einer Azobenzol-Verbindung in einem speziellen Mischungsverhältnis. Entscheidend sind die zwei über eine Azobrücke verbundenen Phenylringe der Azobenzol-Verbindung. Sie können entweder trans oder cis angeordnet sein, d.h. auf entgegengesetzten Seiten einer gedachten Ebene entlang der Azo-Brücke liegen oder auf derselben Seite. Im flachen Kristall liegen 99,8 % der Moleküle als trans-Isomer vor. Blaues Licht regt die Moleküle an, die Azo-Brücken „lockern“ sich und es kann bei einigen Molekülen zu einer Umordnung (Isomerisierung) in die cis-Konfiguration kommen. Dies verändert ihre Form, stört die Kristallstruktur und erzeugt eine Spannung. Ab einem bestimmten Prozentsatz an cis-Isomeren wird die Spannung so groß, dass sich die Morphologie ändert: Das Plättchen beugt sich.

Wird weiter bestrahlt, klappt das Plättchen irgendwann wieder in den flachen Zustand zurück. Weshalb? Auch cis-Isomere werden durch das blaue Licht angeregt und können ihre Struktur ändern – in die trans-Form. Warum dabei die Population der cis-Isomere wieder abnimmt, ist noch nicht abschließend geklärt. Entweder kann das Molekül in der cis-Form die Lichtenergie besser „einfangen“. Oder die veränderte molekulare Anordnung in der neuen Kristallphase verändert die Lichtabsorption der Moleküle gegenüber dem „normalen“ Kristall. Unterschreitet der Anteil an cis-Isomeren wieder den Grenzwert, kann die ursprüngliche Kristallstruktur wieder eingenommen werden, das Plättchen klappt zurück in die gestreckte Geometrie. Dann startet der Zyklus von Neuem. Während das Ausmaß der Krümmung von den Dimensionen des individuellen Kristalls abhängt, hat die Lichtstärke einen Einfluss auf die Klappgeschwindigkeit: Je stärker bestrahlt wird, desto schneller erfolgt der Formwechsel.

Diese Umwandlung von Lichtenergie in eine mechanische Bewegung könnte für das Design von Materialien interessant sein, die die Bewegung von Tieren, zellulären Bestandteilen oder dynamischen technischen Bauteilen nachahmen, etwa in Mikromaschinen.

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