Universitatea Stanford, una dintre marile instituții americane de cercetare, este locul unde chimiștii încearcă de decenii să înțeleagă cum apare lumina în natură — de la sclipirea licuricilor până la strălucirea albăstruie a valurilor care se sparg. Un nou studiu realizat aici și publicat în Journal of the American Chemical Society arată că forța mecanică poate declanșa emisia de lumină într-un mod diferit față de ceea ce se știa până acum, cu implicații pentru dezvoltarea senzorilor de lumină și pentru înțelegerea luminescenței din lumea vie.
- Cercetătorii de la Stanford au descoperit o nouă cale prin care moleculele emit lumină sub acțiunea forței mecanice.
- Contrar așteptărilor, legătura dintre atomii de carbon se rupe prima, nu cea dintre atomii de oxigen.
- Descoperirea ar putea duce la senzori care se aprind când un material se apropie de punctul de cedare.
În centrul fenomenului se află o clasă de molecule numite dioxetani. Acestea au aceeași structură de bază care face posibilă luminescența biologică: doi atomi de oxigen și doi atomi de carbon legați între ei într-un pătrat. Când aceste legături se rup — sub acțiunea căldurii sau a forței mecanice — molecula emite lumină. Chimiștii folosesc de mult timp astfel de molecule pentru a produce lumină.
Ordinea neașteptată în care se rup legăturile
Se știa deja că, sub acțiunea căldurii, cei doi atomi de oxigen se despart primii. Oamenii de știință presupuneau că același lucru se întâmplă și sub forță mecanică, deoarece legătura dintre cei doi atomi de carbon este mai puternică. Însă, când cercetătorii de la Stanford au modelat aplicarea forței asupra dioxetanilor, au constatat că legătura dintre atomii de carbon se rupe prima, iar abia apoi cea dintre atomii de oxigen.
„Este o chimie foarte diferită atunci când intervine forța mecanică”, a spus Todd Martínez, autorul principal al studiului și profesor de chimie la Stanford. „Tot emite lumină. Doar ordinea evenimentelor este diferită, iar asta ridică posibilitatea de a obține produse diferite.”
Cercetări anterioare, realizate pe o moleculă numită bis(adamantil)-1,2-dioxetan, arătaseră că forța mecanică poate rupe structura de oxigen și carbon și poate emite lumină, dar se presupunea că atomii de oxigen se rupeau primii.
Cum au ajuns cercetătorii la o altă concluzie
Studiul a pornit de la o sugestie a lui Charles Diesendruck, profesor invitat la Stanford de la Institutul de Tehnologie din Israel, care i-a propus lui Garrett Kukier, doctorand în laboratorul lui Martínez, să analizeze mai atent unde anume era aplicată forța în acele experimente.
Kukier a dezvoltat apoi modele de mecanică cuantică care foloseau aceleași puncte de tracțiune din experimente. A creat și modele suplimentare pentru alte tipuri de molecule de dioxetan și a aplicat forța în direcții diferite pentru a-i observa efectele.
„Reacția care produce luminescența este de fapt complet modificată de forță, iar asta ne-a permis să descoperim o nouă cale de a emite lumină”, a spus Kukier. Echipa și-a completat munca cu programe folosite în ingineria civilă, care au tratat structura moleculară asemenea grinzilor metalice ale unui pod supus tensiunii, oferind un suport intuitiv pentru rezultatele modelelor cuantice.
De la tensiunea moleculară la senzori care avertizează
Faptul de a ști unde începe ruptura în această metodă indusă de forță deschide noi direcții de explorare. Moleculele de dioxetan ar putea fi, de exemplu, proiectate astfel încât să emită lumină doar peste un anumit prag de forță. Aceasta înseamnă, în practică, că s-ar putea dezvolta senzori care se aprind pentru a avertiza atunci când un material sau o structură se apropie de un punct de stres și riscă să cedeze. Cercetătorii ar putea, de asemenea, explora aplicarea forței în locuri diferite ale moleculei pentru a obține proprietăți dorite, cum ar fi emiterea unor culori diferite de lumină.
Descoperirea ar putea lumina și unele mistere din natură. Deși se știe deja că licuricii își produc lumina printr-un proces chimic, forța ar putea fi implicată în strălucirea albastră a unor valuri, generată de plancton — mici organisme numite dinoflagelate.
„Unele situații induse mecanic, precum valurile care se sparg și planctonul care se aprinde, folosesc probabil această cale complet diferită pe care tocmai am descoperit-o”, a spus Kukier.
Vă fascinează fenomenul luminii vii, de la licurici la valurile strălucitoare? Spuneți-ne în comentarii ce aplicații ale acestei descoperiri vi se par cele mai promițătoare.
