北理工在機(jī)械響應(yīng)分子基單晶材料研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-10-25 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：李亞鑫 審核：李春 閱讀次數(shù)：近日，我?；瘜W(xué)與化工學(xué)院青年教師姚子碩特別研究員設(shè)計(jì)合成了一種通過分子輪“進(jìn)動(dòng)”驅(qū)動(dòng)單晶材料機(jī)械伸縮的新型巨熱膨脹單晶材料,。相關(guān)成果以“Giant anisotropic thermal expansion actuated by thermodynamically assisted reorientation of imidazoliums in a single crystal”為題，發(fā)表于頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》（文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12833-y）。化學(xué)與化工學(xué)院姚子碩特別研究員為該論文的第一作者和通訊作者,，北理工陶軍教授和日本九州大學(xué)佐藤治教授為該論文的共同通訊作者。浙江大學(xué)孔學(xué)謙教授課題組管晗曦 (在讀博士生,，共同第一作者) 對(duì)材料進(jìn)行了固態(tài)NMR的表征和分析,。
熱膨脹是材料的一種基本物理性質(zhì)。典型的固態(tài)材料熱膨脹系數(shù) (α) 小于20 × 10?6 K?1,，但一些具有特殊結(jié)構(gòu)的固體材料可以表現(xiàn)出異常的各向異性的巨熱膨脹 (α > 100 × 10?6 K?1) 和負(fù)熱膨脹 (α < 0 × 10?6 K?1) 性質(zhì),。這種異常的熱膨脹行為，不僅有助于促進(jìn)研究者對(duì)于材料晶格作用的認(rèn)識(shí),，同時(shí)在設(shè)計(jì)熱控高精度微致動(dòng)器以及普通材料熱膨脹補(bǔ)償?shù)雀叨酥圃旆矫婢哂袕V闊的應(yīng)用前景。但由于受晶格空間位阻以及分子間作用力阻撓,，相關(guān)材料的設(shè)計(jì)合成一直是分子材料領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn),。
該課題組在前期草酸根離子分子轉(zhuǎn)動(dòng)研究工作的基礎(chǔ)上 (Nature Chemistry, 2014, 6, 1079-1083；Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 717-721),，受陀螺,、輪子等宏觀進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的進(jìn)一步啟發(fā)，提出了以分子輪作為熵源,，利用分子輪“進(jìn)動(dòng)”驅(qū)動(dòng)單晶材料巨熱膨脹的設(shè)計(jì)思路,。通過化學(xué)熱力學(xué)控制分子輪 (咪唑陽離子) 靜止-轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的分子指向變化這一“進(jìn)動(dòng)”行為，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的巨熱膨脹材料,。該材料在一個(gè)方向表現(xiàn)出極大的正熱膨脹 (α = 839 × 10?6 K?1),，而在垂直方向表現(xiàn)出巨負(fù)熱膨脹性質(zhì) (α = ?363 × 10?6 K?1)。伴隨著巨熱膨脹,，單晶材料的宏觀尺寸可發(fā)生10%的機(jī)械伸縮,，并且?guī)资窝h(huán)后未發(fā)現(xiàn)明顯性能變化，表明該材料機(jī)械性質(zhì)具有良好的抗疲勞性,。結(jié)合變溫單晶X?射線衍射,，變溫固體NMR測試、理論計(jì)算以及Hirshfeld表面分析,，作者對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行了深入的研究分析,，為今后相關(guān)材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了進(jìn)一步的研究思路。
圖1 宏觀陀螺,、輪子以及分子陀螺,、分子輪的“進(jìn)動(dòng)”行為
圖2 咪唑陽離子靜止-轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的分子平面指向變化
圖3 巨熱膨脹導(dǎo)致的材料宏觀機(jī)械收縮及其抗疲勞性
該研究進(jìn)展得到了國家自然科學(xué)基金 (21701013，21325103和21671161)以及北理工學(xué)術(shù)啟動(dòng)基金的資助,。
北理工雙穩(wěn)態(tài)功能材料課題組簡介：
陶軍,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授,，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。2008年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”,、2009年獲福建省杰出青年基金,、2013年獲國家杰出青年基金、2014年獲福建省高校領(lǐng)軍人才和福建省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才稱號(hào),。2016年9月調(diào)入北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院?，F(xiàn)主要從事分子磁性與功能材料研究，在Angew. Chem., Int. Ed.,、Chem. Soc. Rev.,、J. Am. Chem. Soc.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。
姚子碩,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員,，日本九州大學(xué)博士、博士后,，主要從事力,、磁、電等多功能耦合的柔性分子基材料的研究工作,，作為第一作者或通訊作者在Nat. Chem., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed.等高水平期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文,。 課題組主頁：http://www.tao-lab.cn/
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