北理工團隊在超彈性分子基單晶材料研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-02-28 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 姚子碩 攝影：姚子碩
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院姚子碩研究員在超彈性分子基單晶材料研究中取得重要進展。相關(guān)工作以“Stress-Induced Inversion of Linear Dichroism by 4,4′-Bipyridine Rotation in a Superelastic Organic Single Crystal”為題，發(fā)表在國際著名化學(xué)期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 。北京理工大學(xué)為唯一作者單位，化學(xué)與化工學(xué)院陶軍教授研究團隊的姚子碩研究員為文章通訊作者，文章第一作者為北京理工大學(xué)博士研究生李宇霞。
自2014年首次發(fā)現(xiàn)以來，具有類馬氏體相變性質(zhì)的有機超彈-鐵彈形變單晶，因為其奇特的力學(xué)性引起了研究者廣泛的研究興趣，并有望在智能驅(qū)動、信息傳感、柔性電子等領(lǐng)域產(chǎn)生新的技術(shù)應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的馬氏體合金或者陶瓷材料，分子基單晶材料具有輕質(zhì)、透明、結(jié)構(gòu)可修飾性強的特點，因此在光學(xué)調(diào)控方面具有先天的優(yōu)勢。如何通過有效的分子設(shè)計實現(xiàn)單晶材料的超彈性質(zhì)并進一步發(fā)掘其獨特的技術(shù)應(yīng)用，是該材料進一步發(fā)展所需解決的關(guān)鍵問題。
該研究基于壓力作用下分子取向變化與超彈性質(zhì)的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)出發(fā)，設(shè)計合成了新的晶態(tài)分子“陀螺”— (3,5-二甲基苯甲酸)-(4,4’-聯(lián)吡啶)-(3,5-二甲基苯甲酸)，利用4,4’-聯(lián)吡啶在剪切力作用下繞氫鍵軸的90°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了單晶的無擴散形變。當撤去外力時，變形晶體迅速恢復(fù)初始狀態(tài)，表現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性能。這種可逆的應(yīng)力變形具有良好的重復(fù)性，經(jīng)數(shù)十次操作，單晶無明顯破損。由于4,4’-聯(lián)吡啶分子平面的90°轉(zhuǎn)動改變了晶格內(nèi)部躍遷矩的分布，材料線二色性信號在受力狀態(tài)下發(fā)生可逆反轉(zhuǎn)。
該材料利用晶態(tài)“陀螺”受力下的繞軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了單晶材料的超彈形變，并發(fā)現(xiàn)了新的力-光耦合作用方式，揭示了晶態(tài)分子“陀螺”轉(zhuǎn)動與材料力學(xué)性質(zhì)之間的重要作用，同時力-光性質(zhì)的耦合有望應(yīng)用于光學(xué)調(diào)控及通訊領(lǐng)域。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22071009、92061106和21971016）以及北京理工大學(xué)青年學(xué)者科研基金項目的支持。感謝北京理工大學(xué)分析測試中心工作人員的技術(shù)支持。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202217977
圖1. 外力作用引起三聚體內(nèi)晶態(tài)分子“陀螺”轉(zhuǎn)動圖片來源： Angew. Chem. Int. Ed.
圖2. 4,4'-聯(lián)吡啶90°旋轉(zhuǎn)引發(fā)孿晶
圖3. LD信號受力可逆反轉(zhuǎn)
附雙穩(wěn)態(tài)功能材料課題組簡介：
姚子碩，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，日本九州大學(xué)博士、博士后，主要從事力、電、磁等刺激響應(yīng)分子基單晶材料的研究工作，作為第一作者或通訊作者在 Nat. Chem. (1) , Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem., Int. Ed. (2)等高水平期刊發(fā)表30余篇研究論文。
陶軍，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事分子磁性與功能材料研究，在 Chem. Soc. Rev. , Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc. , Angew. Chem., Int. Ed. 等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。
分享到：