Publikacja w Advanced Functional Materials (2025)

15 12 2025

W czasopiśmie Advanced Functional Materials ukazały się wyniki prac badawczych kierowanych przez dr. hab. Michała Wójcika z Laboratorium Syntezy Nanomateriałów Organicznych (Wydział Chemii oraz CNBCh UW). Badania te prowadzono we współpracy z naukowcami z University of Illinois w Chicago oraz University of Michigan w Ann Arbor, a ich rezultaty przedstawiono w artykule pt. Light-Controlled Reversible Co-Assembly of Hybrid Functional Nanostructures, prezentującym koncepcję sterowanych światłem, odwracalnych procesów współ-samoorganizacji hybrydowych nanostruktur funkcjonalnych.

Autorzy opracowali uniwersalną, fotokontrolowaną platformę do samoorganizacji układów wieloskładnikowych, opartą na zestawianiu nanocząstek metali, tlenków oraz struktur węglowych z wykorzystaniem fotoizomeryzowalnych ligandów azobenzenowych oraz wielopierścieniowych układów aromatycznych (PAH). Rozwiązanie to przełamuje ograniczenia klasycznych metod samoorganizacji, które zwykle bazują na oddziaływaniach elektrostatycznych, zmianach polarności rozpuszczalnika, modulacji temperatury lub bodźcach chemicznych. W prezentowanym systemie kluczową rolę odgrywają precyzyjnie dostrojone oddziaływania π-π między powierzchniami nanonośników oraz dipol-π, wynikające z kontrolowanej światłem izomeryzacji E→Z azobenzenu. Konwersja fotoczułego ligandu prowadzi do zmiany momentu dipolowego, co pozwala modulować stopień solwatacji nanocząstek i indukować odwracalne przejście między stanem zdyspergowanym, a stanem skondensowanej superstruktury – wyłącznie za pomocą bodźca optycznego, bez konieczności stosowania reagentów chemicznych.

Co istotne, autorzy wykazali, że zaprojektowany układ umożliwia selektywną współorganizację pomiędzy różnymi typami nanostruktur: złotem funkcjonalizowanym azobenzenem, superparamagnetycznym tlenkiem żelaza Fe₃O₄ pokrytym ligandami aromatycznymi o zróżnicowanej powierzchni (benzen, naftalen, piren), a także nanorurkami węglowymi modyfikowanymi ligandami diazowymi. Wykorzystanie stopniowanej aromatyczności pozwala kontrolować siłę oddziaływań w heterodimerach powierzchniowych i tym samym precyzyjnie regulować skład oraz morfologię powstających superstruktur. Z kolei włączenie zewnętrznego pola magnetycznego stanowi dodatkowy, ortogonalny mechanizm sterowania, umożliwiający kierunkowe formowanie liniowych lub sferycznych agregatów oraz ich szybkie, nieinwazyjne rozdzielanie. Taka dwupolowa kontrola – optyczna i magnetyczna – pozwala na tworzenie struktur, które mogą powstawać, reorganizować się i znikać w sposób kontrolowany, w odpowiedzi na dwa różne typy bodźców fizycznych.

Opracowany system stanowi tym samym pierwszą w swoim rodzaju platformę łączącą kontrolę fotoniczną i magnetyczną w jednym, w pełni odwracalnym procesie samoorganizacji tego typu. Umożliwia on nie tylko dynamiczne przełączanie stanu asocjacji nanomateriału, ale również ewentualną regulację jego właściwości optycznych, magnetycznych i morfologicznych w czasie rzeczywistym. Przeprowadzone badania umożliwią wykorzystanie nowych mechanizmów niekowalencyjnych interakcji ligand-powierzchnia, w szczególności roli rozszerzonego pola aromatycznego i lokalnych centrów deficytu elektronowego w PAH. Przedstawiona koncepcja poszerza aktualne rozumienie samoorganizacji hybrydowych nanostruktur i wskazuje nowe kierunki projektowania inteligentnych materiałów adaptacyjnych.

W szerszej perspektywie badania otwierają drogę do rozwoju modułowych platform do nanokatalizy, w których skupienia nanocząstek mogą działać jako dynamiczne, rekonfigurowalne centra aktywne; czujników optycznych i magnetycznych, reagujących na zmiany środowiska poprzez reorganizację struktury; oraz zaawansowanych układów separacyjnych, w których selektywne wychwytywanie i ponowne uwalnianie składników można uruchamiać energią światła. Przedstawione wyniki wskazują, że łączenie fotoaktywnej chemii powierzchni z inżynierią oddziaływań aromatycznych stanowi wyjątkowo obiecującą strategię do budowy materiałów funkcjonalnych nowej generacji.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki (grant OPUS UMO-2019/35/B/ST5/04232) oraz National Science Foundation (USA).

Gratulujemy Autorom publikacji w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism w dziedzinie nauk o materiałach!