近日，我校化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心曲大辉教授/童非副教授团队在光控动态分子晶体材料研究方面取得重要进展，相关成果以“Regulating Reversible Untwisting and Twisting Motions in Helical Dynamic Molecular Crystals”为题发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
动态分子晶体因其在外部刺激下可展现可控的形态变化和机械运动从而在近年来备受关注。基于非共价键构筑的长程各向异性分子堆积结构，结合光响应固有的快速、精准调控特性，使其在智能开关、人工肌肉、光致动器、光波导器件及纳米机器人技术等领域具有重要应用价值。值得注意的是，单晶X射线衍射等表征手段可精确解析其分子排列方式，为深入探究其中结构与性能间的构效关系提供了便利。此前的研究者通过系统研究光异构化、光环加成等不同光化学反应诱导的分子结构变化，并成功实现晶体材料弯曲、扭曲、跳跃、滚动、剥离、膨胀和摆动等多种晶体运动模式，充分展现了光调控技术在晶体微纳米尺度运动控制方面的优势。然而，这些光响应的可逆性和循环稳定性往往不足，大大限制了其实际应用。
近期，曲大辉与童非研究团队介绍了一种新型光活性分子晶体(MCA)，其分子结构以萘为基本骨架，同时含有乙烯结构和不对称的尾部。MCA分子在可见光照射和加热下进行可逆的头尾[2 + 2]光二聚化反应，形成头尾光二聚体分子。另一方面，通过在玻璃表面快速挥发MCA的乙醇溶液可以高效制备获得结构规整、结晶度高且带有螺旋形貌的晶体纤维。通过改变溶剂蒸发温度可以进一步精细调节螺旋纤维的长度与宽度。MCA结晶纤维在光照射下展现解扭曲运动（untwist），并在温和加热下重新扭曲（twist）运动。这种动态可逆运动是由光照与加热过程中MCA分子进行光二聚与亚稳态产物二聚体 (d-MCA) 的分解造成。在解扭和扭曲循环过程中，螺旋结晶纤维的结晶性和整体螺旋形态可得到很好地保留，从而允许多次往复循环运动。在间歇性光激发和连续加热下，MCA结晶纤维可以在5小时里进行高达200次以上的周期性解扭和扭曲运动。研究表明，光二聚体（d-MCA）的含量显著影响光响应，导致不同二聚体含量下的纤维完全可逆循环、部分反向解扭或完全解扭。此外，研究人员还发现只需形成大约10%的d-MCA就足以驱动螺旋纤维进行持续循环运动。该研究结果为制造基于螺旋扭曲运动的新型动态有机晶体提供了新的范例，并有望应用于未来软体机器人和光致动器等智能体系的开发与构筑。
图片说明：MCA有机螺旋结晶纤维在光照和热刺激下发生可逆的固态[2 + 2]光二聚化，产生多次解扭和扭曲可逆循环运动
该论文以华东理工大学为唯一通讯单位，第一作者为化学与分子工程学院博士研究生邱笑东，通讯作者为曲大辉教授与童非副教授。该工作得到了田禾院士的悉心指导。该研究成果获得了国家自然科学基金、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、上海市教委、上海市科委与费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等资金支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01145
