动态分子晶体的构筑与刺激响应性能研究

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动态分子晶体是一类能感知外界刺激(如热、力、光和溶剂蒸汽等),并以机械响应(如旋转、跳跃、弯曲、折叠和卷曲)作为反馈信号输出的新型智能材料。它高度有序的分子堆积结构赋予了其快的响应速度、高效的能量传递和精准的运动行为,在下一代仿生机器人、智能驱动器、高性能光电器件等方面具有广泛的应用前景。但是由于晶体坚硬、易碎的特点,大多数晶体在机械响应过程中往往伴随着碎裂和破坏,这成为制约其快速发展的技术瓶颈,而且它们机械响应行为的不可调控性进一步限制了材料的功能性应用。柔性的动态响应晶体的出现有望解决这个问题,但是目前报导的例子还比较有限,背后深入的机理研究还不够系统。为了构筑更加多样化的柔性动态响应晶体,并实现其机械响应行为的可控调节,本论文做了如下研究:我们从外力刺激的动态分子晶体入手,通过研究一系列双水杨醛分子晶体在外力作用下的弹/塑性弯曲行为,明确了晶体中层状结构对柔性机械响应的关键作用。在弯曲过程中,层状晶体可以通过改变层内分子间距或层间轻微滑移的方式来响应外力刺激,从而避免了应力不能及时释放带来的晶体易碎的问题。这对自下而上设计柔性晶体有一定的指导意义。结合晶体的机械性质和材料本身的光物理特性,我们成功将其应用在柔性光波导和双输出信号的光波导中。基于上述研究,我们利用能发生分子间[2+2]环加成反应的氰基苯乙烯分子,进一步构筑了层状结构的柔性光响应动态分子晶体。晶体中能发生反应的两个相邻分子作为最基本的光活性基元,被称为π-二聚体。π-二聚体内部分子的空间排布和π-二聚体之间的空间堆积都会影响晶体的宏观响应,这种多级结构给体系提供了丰富的调控空间。首先,我们探究了π-二聚体的堆积取向对分子晶体动态响应形变行为的影响。该工作以硝基取代的氰基苯乙烯分子作为研究对象,分子的π-二聚体作为活性基元在发生[2+2]环加成反应时产生向外的张力。在这个单晶体系下,通过调控π-二聚体在晶体中的取向,调控了张力方向和晶轴方向的角度。当张力方向和晶轴方向一致时,晶体产生了2D弯曲;当张力方向和晶轴方向呈现一定角度时,晶体实现了3D螺旋。我们利用毛细液桥控制退浸润的方法,构筑了π-二聚体取向沿晶轴方向的微米单晶阵列,通过控制光照位置,可以实现微纳单晶材料的定点弯曲加工。其次,我们探究了π-二聚体的堆积方式对分子晶体动态响应行为的影响。基于双三氟甲基修饰的氰基苯乙烯分子我们构筑了多晶相体系。该多晶相体系分别包含对称的π-二聚体结构和错位的π-二聚体结构,这种不同的一级结构在单分子体系下实现了不同类型的[2+2]环加成反应。此外,不同晶型的晶体也具有不同的二级结构。其中,对称的π-二聚体堆积形成层状结构,和上述晶体一致,光响应下发生柔性弯曲;而错位的π-二聚体堆积形成致密的交错结构,在光照下晶体发生碎裂。这种交错结构带来的应力累积不仅影响机械响应,也给反应带来很好的可逆性,其环加成产物在100℃以下就可以热分解为反应物,并伴随着荧光变化。根据分子晶体不同的光响应行为,制备了精确可控的光驱动器和光开关。最后,我们深入探究了π-二聚体内部的分子排布对晶体动态响应行为的影响。根据对一系列氰基苯乙烯衍生物的研究发现,[2+2]环加成反应的速率会对晶体的光响应行为有显著影响。反应速率快的晶体产生显著形变并伴随荧光颜色改变,而反应速率慢的晶体机械响应不明显。有趣的是,我们发现含吡啶基团的氰基苯乙烯虽然满足拓扑化学规律,但是由于双键的极性作用,π-二聚体内头对头排布的分子发生[2+2]环加成的速率很低。引入醋酸分子形成的共晶体系,π-二聚体内的分子变为头对尾的反向排列,拉近了双键和双键距离,提高了环加成反应速率,从而实现了对晶体的机械响应速率的调控。综上所述,本论文揭示了分子层状排布的结构对晶体柔性变形的关键作用。在此基础上,利用可发生[2+2]环加成的氰基苯乙烯类光活性分子进一步构筑了柔性的光响应动态分子晶体。通过调控光活性基π-二聚体内部的分子排布(如排布方式、相对位置等)或者π-二聚体之间的空间排布(如排布取向、堆积方式等),成功调控了分子晶体的机械响应行为,并初步探索了分子晶体的功能性应用。
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