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Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应

 

有机分子晶体中的固态光化学反应可以让材料发生运动和发生形状变化,它们在光控器件的应用上存在很大的潜力。目前,该领域还处于初步发展阶段,这些新的光致变色或光响应机械“引擎”的分子被人们制备成微晶,这些微晶在光照下能做出像弯曲,扭曲和跳跃等机械运动。 然而,控制分子晶体生长的尺寸和形状仍然是一个挑战,因为有机分子之间的弱范德华分子间作用力会破坏它们在结晶期间特定形状中的能力。尽管如此,在表征晶体尺寸和形状如何导致像[2 + 2]光环加成,E→Z光异构化和[4 + 4]光环加成这样的固态反应的不同光响应机械行为方面还是取得了相当大的进展。

【成果简介】

近日,加州大学河滨分校的Christopher Bardeen课题组利用表面活性剂辅助的晶种生长的方法制备了具有两种不同内部分子取向的由9-甲基蒽(9MA)组成的微米级单晶体(A型:六边形,B型:长方形)。这两种微晶在形貌和内部分子排列上虽然十分近似,但两者具有完全不同的光机械响应。制备中新发现的细长六边形微晶经过光照后可以卷起和展开。 卷绕的圆柱形微晶具有一定的捕获磁性纳米颗粒的能力,并使其能够在磁场中携带这些纳米粒子移动,这一研究开辟了使用光来调节晶体平移运动的可能性,相关成果以“Photomechanically Induced Magnetic Field Response by Controlling Molecular Orientation in 9-Methylanthracene Microcrystals”发表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: DOI: 10.1002/anie.201802423),论文第一作者是加州大学河滨分校毕业生童非博士,通讯作者为加州河滨大学化学系Christopher Bardeen教授和阿卜杜拉国王国际医学研究中心(KAIMRC)的Rabih O. Al-Kaysi教授。

【图文导读】

图1 9MA微晶产生的两种类型的光机械运动

Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应a) A型:当分子反应产生的应力与晶体表面的长轴对齐时发生卷曲。

b) B型:当分子反应产生的应力与晶体表面长轴成一定角度时,发生螺旋扭曲。

 

图2 两种微晶的结构表征

Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应

a) 不同角度的A型9MA六角形微孔板的交叉偏振显微镜图像。

b) 不同角度的B型9MA矩形微带的交叉偏振显微镜图像。

c) 9MA分子排布中A型六边形(红色虚线)和B型长方板(紫色虚线)的轮廓。

d) A型9MA六边形微晶的顶视和侧视图。

 

图3 两种微晶的光刺激下的机械运动

Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应

a)A型微晶于光照之前;b)光照期间卷起; c)保持光照后展开。 d)B型微晶于光照之前;e)光照期间扭曲; f)保持光照后解开。

图4 A型9MA微晶光照前后对比

Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应

光照前(左)和光照之后(右)9MA六边形微晶。 晶体沿c轴扩展而沿b轴收缩。

 

图5 A型9MA微晶捕获并运输磁性纳米粒子

Angew Chem:通过控制微晶中的分子取向来实现光机械诱导的磁场响应

(a) – (d)光照之前的A型9MA微晶,在磁场下没有运动。

(e) – (j)9MA晶体光照之后并卷曲成圆柱体并在磁场作用下运输捕获的磁性纳米粒子。

 

【小结】

研究提供了一种新的生长9MA单晶的方法,能使我们制备出两种表现完全不同的光机械响应性质的微晶。在光照下,长方形的微晶更表现出光致扭转,六边形的微晶展现卷起和展开。 光照后所形成的圆柱形状可以用于捕获磁性纳米粒子,并且使其能够在磁场作用下运输所捕获的纳米粒子。 这种新颖的晶体生长方法实现了新的光致形状变化,为使用光调节微结构平移运动开辟了可能性,并进一步说明了分子晶体材料的多功能性。

文献链接:Photomechanically Induced Magnetic Field Response by Controlling Molecular Orientation in 9-Methylanthracene Microcrystals. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201802423)

本文由童非博士供稿。

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