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
發布日期：2023-02-28 供稿：化學與化工學院 姚子碩 攝影：姚子碩
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數：
近日，北京理工大學化學與化工學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。相關工作以“Stress-Induced Inversion of Linear Dichroism by 4,4′-Bipyridine Rotation in a Superelastic Organic Single Crystal”為題，發表在國際著名化學期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 。北京理工大學為唯一作者單位，化學與化工學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博士研究生李宇霞。
自2014年首次發現以來，具有類馬氏體相變性質的有機超彈-鐵彈形變單晶，因為其奇特的力學性引起了研究者廣泛的研究興趣，并有望在智能驅動、信息傳感、柔性電子等領域產生新的技術應用。相較于傳統的馬氏體合金或者陶瓷材料，分子基單晶材料具有輕質、透明、結構可修飾性強的特點，因此在光學調控方面具有先天的優勢。如何通過有效的分子設計實現單晶材料的超彈性質并進一步發掘其獨特的技術應用，是該材料進一步發展所需解決的關鍵問題。
該研究基于壓力作用下分子取向變化與超彈性質的結構關聯出發，設計合成了新的晶態分子“陀螺”— (3,5-二甲基苯甲酸)-(4,4’-聯吡啶)-(3,5-二甲基苯甲酸)，利用4,4’-聯吡啶在剪切力作用下繞氫鍵軸的90°旋轉，實現了單晶的無擴散形變。當撤去外力時，變形晶體迅速恢復初始狀態，表現出優異的超彈性能。這種可逆的應力變形具有良好的重復性，經數十次操作，單晶無明顯破損。由于4,4’-聯吡啶分子平面的90°轉動改變了晶格內部躍遷矩的分布，材料線二色性信號在受力狀態下發生可逆反轉。
該材料利用晶態“陀螺”受力下的繞軸旋轉，實現了單晶材料的超彈形變，并發現了新的力-光耦合作用方式，揭示了晶態分子“陀螺”轉動與材料力學性質之間的重要作用，同時力-光性質的耦合有望應用于光學調控及通訊領域。
該研究得到了國家自然科學基金（22071009、92061106和21971016）以及北京理工大學青年學者科研基金項目的支持。感謝北京理工大學分析測試中心工作人員的技術支持。
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晶態分子“陀螺”轉動圖片來源： Angew. Chem. Int. Ed.
圖2. 4,4'-聯吡啶90°旋轉引發孿晶
圖3. LD信號受力可逆反轉
附雙穩態功能材料課題組簡介：
姚子碩，北京理工大學化學與化工學院副教授，日本九州大學博士、博士后，主要從事力、電、磁等刺激響應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)等高水平期刊發表30余篇研究論文。
陶軍，北京理工大學化學與化工學院特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者。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. 等高水平學術期刊發表多篇學術論文。
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