Liikettä valolla: Supramolekyläärisistä materiaaleista sovelluksiin

Azobenzene-containing materials represent a versatile class of stimuli-responsive systems, in which light can be used to trigger a variety of fascinating phenomena. Owing to their rapid and reversible photoisomerization, azobenzenes are efficient molecular photoswitches that enable effective control over a number of properties of the host material. Moreover, the nanoscale photoisomerization reaction can actuate various large-scale molecular motions in the system, such as the light-driven macroscopic mass transport. Under certain conditions, polarized light can be used to induce macroscopic movement in a glassy material, which results in a well-defined topographic pattern on the film surface. During the past two decades, a vast amount of research has been devoted to understand the microscopic origin of these motions. On the other hand, the light-induced phenomena in azomaterials have demonstrated huge potential in numerous application areas ranging from photonics to biology. Still, many aspects of the intricate relationship between the light-triggered macroscopic effects and the material properties remain unresolved.  This thesis aims to unveil new possibilities for the light-induced motions in terms of material design and application potential. Importantly, the recent advancements in supramolecular design of light-responsive materials are exploited in order to present new implications on the surface patterning phenomenon and to explore its fundamental limits. First, hydrogen-bonded azobenzene–polymer complexes with versatile optical properties over a broad spectral range are presented. Secondly, azobenzene-oligomer complexes with extremely low azobenzene content are used to systematically seek for the lowest amount of azobenzene that is still capable of inducing mass transport. The phenomenon is also taken to another extreme, as the light-induced surface patterns are shown to occur in azobenzene-functionalized dendrimers and native biomolecules with exceptionally high molecular weight. Finally, the immense yet largely unexploited application potential of the light-induced surface patterning is discussed and the use of the patterns in the nanofabrication of plasmonic hole arrays is demonstrated. This thesis presents new means to understand the complex structure-performance relationships in azomaterials and suggests novel uses for the light-induced surface patterns.Atsobentseeni ja sen johdannaiset ovat väriainemolekyylejä, jotka sopivalla aallonpituudella valaistaessa muuttavat muotoaan stabiilista trans-muodosta metastabiiliin cis-muotoon. Isomeroitumisreaktio on nopea ja reversiibeli, mistä johtuen atsobentseeniä sisältävien materiaalien monia ominaisuuksia voidaan muokata valolla, ja niissä voidaan saada aikaan jopa makroskooppista liikettä. Erityisen kiinnostava ilmiö on pintahilan muodostuminen lasimaisen atsomateriaalikalvon pinnalle valon interferenssikuvion vaikutuksesta. Pintahiloissa atsomateriaali kasaantuu säännöllisiksi topografisiksi kuvioiksi, joiden korkeus voi olla jopa useita mikrometrejä. Pintahilat ovat kiehtoneet tutkijoita viimeisen kahden vuosikymmenen ajan, ja niille on kehitetty monentyyppisiä sovelluskohteita fotoniikasta biologiaan. Yhtenevää ja kaikenkattavaa selitystä pintahilojen muodostukselle ei kuitenkaan ole vielä esitetty, ja erilaisten atsomateriaalien valovasteen monimutkaisten yksityiskohtien selvittäminen vaatii runsaasti lisätyötä ennen kuin ilmiötä voidaan tehokkaasti hyödyntää käytännön sovelluksissa.  Tämä väitöskirja esittelee kokeellista tutkimusta, jonka tavoitteena on lisätä atsomateriaalien rakenteen ja valoliikkeen välisten lainalaisuuksien ymmärrystä ja antaa ehdotuksia uusista, vielä selvittämättömistä hyödyntämismahdollisuuksista. Työssä on valmistettu uusia valoaktiivisia materiaaleja supramolekylääristä funktionalisointia hyödyntäen, minkä ansiosta pintahilojen muodostusta voidaan tutkia materiaalin rakenteeseen liittyvien ääriesimerkkien avulla. Ensinnäkin, työssä tutkitaan vetysitoutuneita bisatso–polymeerikomplekseja, joissa valon indusoimat liikkeet ilmenevät tehokkaasti laajalla aallonpituusalueella. Toiseksi, vastaavanlaisten pienimoolimassaisten atso–polymeerikompleksien avulla etsitään pienintä mahdollista atsobentseenipitoisuutta, jolla pintahiloja voidaan vielä kirjoittaa. Toisaalta pintahilojen muodostusta tutkitaan atsobentseenifunktionalisoiduissa suurimoolimassaisissa dendrimeerikomplekseissa ja osoitetaan, että pintakuviointi on mahdollista myös suurista, pallomaisista biomolekyyleistä koostuvissa kalvoissa. Lopuksi työssä selvitetään valoherätteisen pintakuvioinnin monipuolisia sovelluskohteita, joista esimerkkinä esitellään pintakuvioiden hyödyntämistä plasmonisten kultananorakenteiden valmistuksessa

Effect of hydrogen-bond strength on photoresponsive properties of polymer-azobenzene complexes

Supramolecular complexation between photoresponsive azobenzene chromophores and a photopassive polymer host offers synthetic and design advantages compared with conventional covalent azo-containing polymers. In this context, it is important to understand the impact of the strength of the supramolecular interaction on the optical response. Herein, we study the effect of hydrogen-bonding strength between a photopassive polymer host [poly(4-vinylpyridine), or P4VP] and three azobenzene analogues capable of forming weaker (hydroxyl), stronger (carboxylic acid), or no H-bonding with P4VP. The hydroxyl-functionalized azo forms complete H-bonding complexation up to equimolar ratio with VP, whereas the COOH-functionalized azo reaches only up to 30% H-bond complexation due to competing acid dimerization that leads to partial phase separation and azo crystallization. We show that the stronger azo-polymer H-bonding nevertheless provides higher photoinduced orientation and better performance during optical surface patterning, in terms of grating depth and diffraction efficiency, when phase separation is either avoided altogether or is limited by using relatively low azo contents. These results demonstrate the importance of the H-bonding strength on the photoresponse of azopolymer complexes, as well as the need to consider the interplay between different intermolecular interactions that can affect complexation.La complexation supramoléculaire entre des chromophores azobenzéniques photosensibles et un hôte polymérique photopassif offre des avantages sur le plan de la synthèse et de la conception par rapport aux polymères azoïques covalents classiques. Dans ce contexte, il importe de comprendre les effets de la force des interactions supramoléculaires sur la réponse optique. Dans le cadre des présents travaux, nous avons étudié l’effet de la force des liaisons hydrogène entre un hôte polymérique photopassif — la poly(4-vinylpyridine), ou P4VP – et trois analogues azobenzéniques capables de former des liaisons hydrogène faibles (hydroxyle) ou fortes (acide carboxylique) avec la P4VP, ou de ne former aucune liaison hydrogène. Les composés azoïques hydroxylés se complexent entièrement par liaisons hydrogène avec la VP, la complexation atteignant un rapport équimolaire, tandis que les composés azoïques carboxylés n’atteignent qu’un taux de complexation par liaisons hydrogène de 30%. Ce dernier résultat est attribuable à la dimérisation de l’acide, qui entre en compétition, entraînant une séparation de phases partielle et la cristallisation du composé azoïque. Nous démontrons que les liaisons hydrogène plus fortes avec le polymère azoïque permettent néanmoins une orientation photo-induite plus importante et une meilleure performance durant le modelage optique de la surface, notamment en ce qui concerne la profondeur du réseau et l’efficacité de diffraction, lorsque la séparation de phases est évitée complètement ou limitée par l’utilisation de quantités relativement faibles de composé azoïque. Ces résultats démontrent l’influence de la force des liaisons hydrogène sur la photosensibilité des complexes de polymères azoïques de même que la nécessité de prendre en compte l’interrelation entre les différentes interactions intermoléculaires qui peuvent intervenir dans la complexation

Light-Fuelled Transport of Large Dendrimers and Proteins

This work presents a facile water-based supramolecular approach for light-induced surface patterning. The method is based upon azobenzene-functionalized high-molecular weight triazine dendrimers up to generation 9, demonstrating that even very large globular supramolecular complexes can be made to move in response to light. We also demonstrate light-fuelled macroscopic movements in native biomolecules, showing that complexes of apoferritin protein and azobenzene can effectively form light-induced surface patterns. Fundamentally, the results establish that thin films comprising both flexible and rigid globular particles of large diameter can be moved with light, whereas the presented material concepts offer new possibilities for the yet marginally explored biological applications of azobenzene surface patterning