固體晶體中分子齒輪運(yùn)動的溫度控制、可逆移動為材料設(shè)計開辟了新的可能性。

齒輪是日常機(jī)器的重要組成部分。像汽車一樣的換檔能力可以控制運(yùn)動的程度或方向，使機(jī)器更加通用。現(xiàn)在，由北海道大學(xué)化學(xué)反應(yīng)設(shè)計與發(fā)現(xiàn)研究所(WPI-ICReDD)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊報告了一種在晶體中實現(xiàn)分子尺寸齒輪的新設(shè)計策略，以及在固體中可控分子齒輪移動的第一個例子材料。他們開發(fā)了一種晶體材料，其中含有齒輪狀分子，可以在兩種運(yùn)動類型之間可逆地轉(zhuǎn)換。該設(shè)計原理為多功能新材料的開發(fā)提供了藍(lán)圖。

研究人員利用了一種名為三芳基三嗪的齒輪狀分子，它有一個中心三嗪環(huán)，上面連接著三個亞苯基環(huán)，其作用就像齒輪的齒。通過將龐大的固定分子附著在亞苯基環(huán)上，研究人員誘導(dǎo)出一種“離合器堆疊”排列，其中相鄰的三芳基三嗪分子彼此旋轉(zhuǎn) 60°，而不是以相同方向堆疊。

“離合器組的設(shè)計靈感來自汽車離合器的機(jī)械機(jī)械系統(tǒng)，”副教授 Mingoo Jin 說。

附著的固定分子還為三個亞苯基環(huán)在拍打運(yùn)動中在兩個位置之間旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造了足夠的空間。當(dāng)亞苯環(huán)旋轉(zhuǎn)時，三芳基三嗪分子的離合器堆疊排列使得相鄰分子能夠相互鉤住，就像互鎖齒輪一樣。這導(dǎo)致了堆棧中所有分子的相關(guān)運(yùn)動。

當(dāng)溫度升高到某個閾值以上時，會觀察到不同的相關(guān)運(yùn)動，其中亞苯基環(huán)發(fā)生 180° 旋轉(zhuǎn)。這種運(yùn)動的變化歸因于晶體中的相變，它在相鄰分子之間產(chǎn)生了更多的空間，從而為亞苯基環(huán)提供了更多的旋轉(zhuǎn)空間。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這種運(yùn)動變化可以通過冷卻晶體來逆轉(zhuǎn)，這標(biāo)志著首次在固體中觀察到這種可控分子運(yùn)動。分子變速的效果可以通過調(diào)整附著在齒輪分子上的固定分子的尺寸和結(jié)構(gòu)來微調(diào)。這種可調(diào)節(jié)性為開發(fā)利用晶體分子機(jī)器的新型功能材料打開了大門。

“我們研究的下一個方向是利用晶體中的齒輪分子運(yùn)動來操縱固態(tài)材料的不同物理特性，例如光發(fā)射或熱行為”，Jin 評論道。