Angew. Chem.：光驱动有机微米晶体的自主类鞭毛运动—“硬晶体”的“软运动”

光能，作为一种良好的清洁能源，其多种参数（波长、强度以及偏振度等）可进行调控制，还具有穿透各种环境的能力，因此具有许多优点。为了能够实现用光来驱动材料进行类似生命体中鞭毛一样的非线性机械运动如波动、螺旋运动以及大幅度的弯曲运动，人们需要采用可以将光能通过光化学反应转化为机械能的光机械响应材料。之前，人们已经在聚合物和液晶材料这类具有弹性的典型“软材料”中实现了光诱导下的非线性振荡运动。但是，在“硬”材料（如分子晶体）中，实现这种非线性光机械响应运动还存在着挑战。

最近，来自加州大学河滨分校的Christopher Bardeen课题组和阿卜杜拉国王国际医学研究中心的Rabih Al-Kaysi教授合作，开发了一种基于分子光异构化反应在有机分子晶体中实现这种非线性振动光机械运动的新策略。他们制备了一种由蒽的衍生物组装而成的超长微米晶体细线，这种晶体线在持续紫外和可见光的共同作用下能够发生连续的扭转和非线性的振荡运动。且一部分具有扭曲结构的晶体线还可以在光的作用下进行平移运动，速度可以达到7微米每秒，这种光机械行为在性质上与生物鞭毛运动非常相似。

图1. 该项工作中所采用的分子结构和光化学反应以及晶体线在光照下运动的示意图。

在光照的作用下，晶体线的光机械运动主要表现为两种。一类细长并且带有弧度的细线表现出“响尾蛇”式的运动，整条晶体线可以像蛇一样起伏不定。这种运动通常会使晶体细线在光照下同时发生旋转和平移（图2A-D）。而另一种则是“螺旋”式的运动，在这类运动中，晶体细线整体保持笔直，在光照下通过其长轴上的扭动来推动整个细线的平移运动（图2E-H）。

图2. A-D 晶体线在光照下表现出 “响尾蛇” 式的机械运动，尺度：100微米；E-H晶体线在光照下进行 “螺旋” 式平移运动，尺度：20微米。

晶体线的机械运动不仅对光照十分敏感可以达到瞬时响应（<1秒），还可以保持长时间的连续运动。此外，随着光照强度的增强，晶体线的振荡频率会呈线性升高；当频率达一定数值后便会停止，这些现象都有别于一般的光热响应（图3）。

图3. 晶体线在不同波长光以及光强作用下的振荡频率。

通过进一步的研究，这种非线性的机械运动可以通过晶体内部顺式和反式分子在光异构化反应时分子间的跃迁偶极矩的取向变化来很好地解释。

图4. A 顺式和反式分子在光作用下跃迁偶极矩发生变化的简要示意图；B顺式和反式分子在晶体中所占摩尔比随光照时间的变化。

该工作为光化学和机械运动之间建立非线性响应机制提供了一种新的途径，并且有望赋予像“分子机器”这样的响应性材料新的功能。该工作发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上并被同时选为Hot paper和封面，文章的第一作者是童非博士（现任华东理工大学特聘研究员），其主要研究兴趣是机械响应软材料、光化学与有机晶体材料微纳米制备。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Light-Powered Autonomous Flagella-Like Motion of Molecular Crystal Microwires

Fei Tong, Daichi Kitagawa, Ibraheem Bushnak, Rabih O. Al-Kaysi, Christopher J. Bardeen

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202012417

导师介绍

Christopher Bardeen

https://www.x-mol.com/university/faculty/3083