Design of efficient photoresponsive azobenzene materials through supramolecular functionalization

Thumbnail Image

Files

isbn9789526051703.pdf (2.86 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-05-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2013

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

65 + app. 47

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 83/2013

Abstract

Azobenzene molecules are known to change their geometry upon photon absorption. The photoisomerization process, taking place at the nanometer scale, can give rise to remarkable photoinduced macroscopic motions into the material system. The most pronounced examples of such effects are photoinduced bending of free-standing films and the formation of micron-scale surface patterns due to photoinduced mass transport. Due to their anisotropic shape, azobenzenes also contain directional information and are polarization sensitive. The phenomena arising from the photoisomerization reaction have applications not only in optics and photonics, but also in the interfaces between light and surface science, information storage, imaging, biology, energy storage and actuation. Despite the extensive research, many fundamental questions concerning the coupling between the molecular-scale reactions and the photoresponse of the material at larger scales still remain a conundrum. This thesis seeks for guidelines for designing efficient photoresponsive materials through exploiting the toolkit of supramolecular chemistry. Supramolecular functionalization  provides a powerful tool for precisely controlling the composition of the material system, which is imperative when exploring the structure–performance relationships that govern the material's light-responsive behavior. By  selecting the constituent compounds in a systematic and controlled manner, we study the effect of the structural and physical parameters of the azobenzene units on their packing density, which again profoundly influences their optical performance. More specifically, the role of  (i) chromophore-chromophore intermolecular interactions, (ii) flexible spacer groups, (iii) the polarity of the azobenzene units, and (iv) the architecture of the host material on photoalignment and photoinduced surface patterning are discussed. In addition to contributing to fundamental understanding of light-matter interactions in azobenzene-containing materials, our findings highlight more generally the potential of supramolecular material design in optics and photonics, and we believe that this interface will bring about applications far beyond the scope now seen.

Atsobentseenipohjaiset molekyylit voivat muuttaa muotoaan fotonin absorboitumisen seurauksena. Nämä nanomittakaavassa tapahtuvat valoisomerisaatioreaktiot voivat johtaa makroskooppisiin valoherätteisiin ilmiöihin, esimerkiksi kokonaisen polymeerikalvon taipumiseen tai mikrometriskaalan pintakuvioiden muodostumiseen valon vaikutuksesta. Sauvamaisen muotonsa ansiosta atsobentseenimolekyylejä voidaan myös suunnata hyödyntäen valon polarisaatiota. Näille ilmiöille on jo löytynyt käyttökohteita niin optiikan, pintatieteiden kuin biologiankin alalta. Erityisen mielenkiintoista on mahdollisuus tuottaa valovoimalla liikkuvia koneita, sillä atsobentseenimolekyylit pystyvät muuttamaan absorboimansa valoenergian suoraan liikkeeksi: mikrotasolla atsobentseenimolekyylejä voidaan käyttää muun muassa optisina kytkiminä, kun taas makrotasolla voidaan rakentaa valolla liikkuvia keinolihaksia ja moottoreita. Huolimatta laajasta tutkimustiedosta, monet valon aikaansaamat materiaalin liikkeeseen liittyvät peruskysymykset ovat vielä vastaamatta. Tässä työssä tutkitaan, miten pienillä ja hallituilla materiaalisysteemin ominaisuuksien muutoksilla voidaan ohjata materiaalin käyttäytymistä ja valovastetta haluttuun suuntaan. Työ hyödyntää supramolekylääristä kemiaa atsobentseenimateriaalien valmistuksessa ja korostaa entisestään tämän lähestymistavan etuja. Väitöskirja antaa uutta tietoa siitä, miten yksittäisten atsobentseenimolekyylien fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaikuttavat supramolekylääristen kompleksien valovasteeseen. Työssä pureudutaan muun muassa atsobentseenien välisiin vuorovaikutuksiin, pehmentävien hiilivetyketjujen merkitykseen, atsobentseeniyksikköjen polaarisuuteen ja atsobentseenit vastaanottavan isäntämolekyylin arkkitehtuurin vaikutukseen. Työ lisää ymmärrystä valoherätteisistä atsobentseenimateriaaleista ja edesauttaa uusien valoliikkeeseen perustuvien sovellusten suunnittelua. 

Description

Supervising professor

Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Finland

Thesis advisor

Priimägi, Arri, Dr., Aalto University, Finland

Keywords

azobenzene, photoisomerization, photoinduced birefringence, photoinduced surface patterning, supramolecular functionalization, atsobentseeni, fotoisomerisaatio, valoherätteinen kahtaistaittavuus, valoherätteinen pintakuviointi, supramolekylääriset sidokset

Other note

Parts

  • [Publication 1]: A. Priimagi, J. Vapaavuori, F. Rodriguez, C. Faul, M. Heino, O. Ikkala, M. Kauranen and M. Kaivola. Hydrogen-Bonded Polymer–Azobenzene Complexes: Enhanced Photoinduced Birefringence with High Temporal Stability through Interplay of Intermolecular Interactions. Chemistry of Materials, 20, 6358 – 6363, 2008.
  • [Publication 2]: J. Vapaavuori, V. Valtavirta, T. Alasaarela, J.-I. Mamiya, A. Priimagi, A Shishido and M. Kaivola. Efficient surface structuring and photoalignment of supramolecular polymer–azobenzene complexes through rational chromophore design. Journal of Materials Chemistry, 21, 15437 – 15441, 2011.
  • [Publication 3]: J. Vapaavuori, A. Priimagi and M. Kaivola. Photoinduced surfacerelief gratings in films of supramolecular polymer–bisazobenzene complexes. Journal of Materials Chemistry, 20, 5260 – 5264, 2010.
  • [Publication 4]: J. Vapaavuori, Z. Mahimwalla, R. Chromik, M. Kaivola, A. Priimagi and C. Barrett. Nanoindentation study of light-induced softening of supramolecular and covalently functionalized azo polymers. Journal of Materials Chemistry C, 1, 2806—2810, 2013.
  • [Publication 5]: J. Vapaavuori, A. Priimagi, A. Soininen, J. Ruokolainen, M. Kaivola, O. Ikkala, E. Kasëmi and N. Canilho. Photoinduced surface patterning of azobenzene-containing supramolecular dendrons, dendrimers and dendronized polymers. submitted to Optical Materials Express, 2013.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5170-3

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI