Ten kryształ zmienia kolor przy toksynach. Działa jak czujnik

Kryształ zmieniający kolor jako ekologiczny czujnik

Wyobraź sobie materiał, który ostrzega przed zagrożeniem. Nie potrzebuje baterii ani oprogramowania, wystarczy spojrzeć na jego barwę. Tak działa kryształ zmieniający kolor, opracowany przez badaczy z japońskiego Shibaura Institute of Technology (SIT). Reaguje przede wszystkim w obecności naftalenu – substancji chemicznej często występującej w zanieczyszczonym powietrzu i wodach oceanicznych.

Japońscy naukowcy stworzyli specjalną cząsteczkę należącą do grupy pirazynacenów. Jest to klasa związków chemicznych, zbudowanych z połączonych ze sobą pierścieni zawierających azot. W efekcie powstał materiał, który w standardowych warunkach ma zielonkawo-niebieski kolor, ale gdy zetknie się z naftalenem, zmienia barwę na intensywną czerwień z fioletowym odcieniem. Co więcej, proces ten nie jest trwały, ponieważ po podgrzaniu materiał wraca do poprzedniego stanu, a kryształ zmieniający kolor może zostać użyty ponownie.

„Ten kryształ może reagować z naftalenem, powodując odwracalną zmianę koloru. Takie kryształy zmieniające kolory mogą mieć różne zastosowania w materiałoznawstwie” – podkreśla zespół naukowców z SIT w podsumowaniu swojej pracy.

Wspomniany wyżej naftalen to związek chemiczny, który powstaje przy spalaniu węgla i ropy naftowej, dlatego można go znaleźć w spalinach, dymie papierosowym czy zanieczyszczonym powietrzu. Długotrwały kontakt z nim może mieć negatywny wpływ na zdrowie.

Polecamy: Dziwne kryształy tańczą w świetle. Potrafią też eksplodować

Jak działa kryształ zmieniający kolor?

Sekret działania kryje się w elektronach. W chemii istnieją dwa główne typy transferu ładunku: wewnątrzcząsteczkowy i międzycząsteczkowy. Pierwszy zachodzi w obrębie jednej cząsteczki. Wykorzystuje się go w barwnikach czy diodach OLED. Drugi natomiast polega na przenoszeniu elektronów pomiędzy różnymi cząsteczkami. Sposób ten odgrywa główną rolę np. w ogniwach słonecznych.

Połączenie obu rodzajów w jednym materiale okazało się trudne. Wymagało bowiem niezwykłej precyzji w projektowaniu struktury i przewidywaniu interakcji międzycząsteczkowych. Badacze z SIT opracowali cząsteczkę zwaną „związkiem pierwszym”. Jej unikatowa budowa pozwala elektronom na swobodne przemieszczanie się w ramach jednej cząsteczki, nadając jej zielonkawo-niebieski kolor. Jednak w obecności naftalenu obie cząsteczki łączą się w stosunku 1:1 i tworzą stabilny kryształ zmieniający kolor.

Na tym etapie elektrony przestają krążyć wyłącznie w jednej cząsteczce i zaczynają przeskakiwać pomiędzy kryształem a cząsteczką zanieczyszczenia. To właśnie ten transfer odpowiada za zmianę barwy.

„Konstrukcja naszej cząsteczki zapewnia konkurencję między wewnątrzcząsteczkowym i międzycząsteczkowym przenoszeniem ładunku. Pozwala to naszej cząsteczce działać jako czujnik, który może, poprzez prostą zmianę koloru, identyfikować nawet śladowe ilości naftalenu” – tłumaczy Kazushi Nakada, doktorant i główny autor badań. 

Przewaga nowego rozwiązania

To, co wyróżnia kryształ zmieniający kolor, to jego zdolność do selektywnego działania. Naukowcy sprawdzili jego reakcję z innym związkiem o zbliżonej strukturze – oktafluoronaftalenem. Ku ich zaskoczeniu, współkryształ nie powstał, a kolor pozostał niezmieniony. Świadczy to o tym, że nowo opracowany materiał rozpoznaje dokładnie określoną toksynę,  w tym przypadku naftalen.

Szukasz treści, które naprawdę dają do myślenia? Sięgnij po kwartalnik Holistic News!

Kryształ zmieniający kolor nie tylko wykrywa zagrożenia, ale też jest odporny na zużycie. Nie wymaga kosztownej aparatury ani wymiany po każdej reakcji. To ekologiczne i praktyczne rozwiązanie do wielokrotnego użytku. Naukowcy przekonują, że ich technologia ma duży potencjał. Kryształ zmieniający kolor może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu jakości powietrza w przestrzeni miejskiej, w testach laboratoryjnych, w przemyśle oraz w ocenie stanu środowiska wodnego. Wszystko to bez potrzeby stosowania skomplikowanych systemów elektronicznych.

Badacze są zgodni, że to dopiero początek. W przyszłości mogą powstać inne kryształy tego typu, reagujące na różne toksyczne związki. A to otwiera drogę do prostych i dostępnych narzędzi, które każdy z nas mógłby wykorzystać do monitorowania swojego otoczenia.

Polecamy: Ludzki genom zapisany w krysztale pamięci. Technologia przyszłości zabezpieczy nasz gatunek