日本千叶大学国际高等研究基干的矢贝史树教授、玉木健太博士生（研究当时，现名古屋大学助教）等，与东京科学大学理学院的河野正规教授、大学共同利用机关法人自然科学研究机构生命创成探究中心，以及法国巴黎-萨克雷大学、理化学研究所、名古屋大学共同宣布，发现向由光响应导致形态与颜色发生变化的“光致变色分子”自组装形成的片状结构“二维纳米片”照射不同强度的光时，可转变为一维纳米纤维（细绳状）或三维纳米晶体（堆叠的厚块）等形态完全不同的结构。研究团队还通过高速原子力显微镜（AFM）实时观察结构变化的过程，成功阐明了相关机制。该研究成果有望推动下一代功能性材料的开发。相关研究结果已发表在期刊《Chem》的11月18日刊上。
（供图：千叶大学）
生物分子通过与周围环境的相互作用，在脱离热力学稳定的“平衡状态”的“非平衡状态”下发挥作用。近年来，将此类机制引入人工分子功能性材料的研究正日益活跃。
光致变色分子是一种在光能作用下可改变形状与颜色的分子，目前已有大量研究报道显示，将其嵌入构成分子可以实现平衡与非平衡两种状态的切换。然而，此前一直没有通过光的强度来引发不同响应的研究。
此次，研究团队通过结合光致变色分子的结构变化（光异构化）与分子集合体的结构多样性（超分子多态性），成功利用不同照射光强度，制备出三种具有不同维度的集合结构。
研究团队此次设计并合成了嵌入一种响应紫外光发生弯曲的“偶氮苯类”光致变色分子的自组装分子1。
此前，矢贝教授团队已开发出可呈现丰富超分子多态性的自组装分子。
将自组装分子1溶于有机溶剂后，会形成能量上最稳定的二维纳米片。向该纳米片照射强紫外光时，会转变为一维纳米纤维。而照射弱紫外光时，纳米片的分解与生长相互制衡，最终转变为三维纳米晶体。
为阐明这一机制，研究团队利用高速AFM进行观察，并成功捕捉到二维纳米片从特定边缘开始选择性向一维纳米纤维转变的过程。高速AFM能够以纳米级空间分辨率和亚秒级时间分辨率观察溶液中动态变化的物质。
此外，研究团队还成功解析了自组装分子1的单晶结构，揭示了偶氮苯部位暴露的光异构化影响强烈的边缘，会率先发生分子结构变化的机制。
此另，在弱紫外光照射下，既能观察到从二维纳米片转变为三维纳米晶体的过程，也能观察到纳米片消失的现象，由此确认这一变化是通过名为光诱导奥斯瓦尔德熟化的经典晶体生长机制实现的。
该研究首次证实，通过调节光的强度可创造出多种新的非平衡状态。
该发现有望推动未来开发利用光实现多种有机材料维度控制的新技术。
矢贝教授表示：“光如同光合作用中所见，是驱动生命活动所需化学反应的能量源，而此次研究中，我们将光能用于‘分子集合状态本身’的控制。这是首次证实人工分子材料的形态可根据光的强度转变为不同状态，有望成为未来智能材料开发的重要一步。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chem (Cell Press)
论文：Light-intensity-dependent out-of-equilibrium processes toward dimensionally distinct nanopolymorphs
DOI：10.1016/j.chempr.2025.102818
