日本科学家开发出制造刺激响应型材料的新方法

导读

最近，日本名古屋大学的科学家们开发出一种新方法，它能以一种可预测的方式制造刺激响应型材料。他们使用这种方法设计出一种新材料：碳纳米环与碘的混合物。它可以导电而且在通电时能发出白光。这种新方案可以制造出一些列可靠的刺激响应型材料，它们可以应用于存储器件、人造肌肉和给药系统等领域。

关键字

材料、光学、分子

背景

刺激响应型材料是指在外部环境因素刺激下，自身的物理和化学特性发生相应变化的材料。这些刺激因素包括：光致辐射、热量、压力和电流。有鉴于此，刺激响应型材料可广泛应用于光盘、计算机存储器件和显示器件、人造肌肉和给药系统等众多领域。

科学人员一直都致力于以一种可预测的方式，开发新型刺激响应型材料。然而，设计和控制这些材料复杂的分子排列，是一项极其困难的工作。

创新

最近，来自日本名古屋大学 JST-ERATO Itami 分子纳米碳项目和转化生物分子研究所（ITbM）的团队联合开发出一种简单且可靠的方法，它可用于合成刺激响应型材料。这项研究的成果最近发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊。

我们可以通过下面这张电刺激响应型多孔碳纳米环与碘的混合物示意图，简单了解一下这种新材料。外部的电刺激引起这种新材料导电且发出白光。

（图片来源：名古屋大学）

技术

这种“响应型多孔主体”（responsive porous host）方法采用具有多孔框架的分子与“客体”分子绑定。这些客体分子很可能对外界刺激作出响应（如图[1]a所示）。

在这个案例中，团队发现了[10]cycloparaphenylene（[10]CPP），一种碳氢化合物分子，由10个相互连接苯环组成。它是连接碘 (I) 的理想主体。碘置身于多孔碳环内，并且响应电刺激。

这样不仅能够导电，而且也可以激发白光，这一点非同寻常。特别是，许多其他部件需要获取白光。这种新材料[10]CPP-I，可用于下一代照明系统。

图[1]：电刺激响应型材料的新合成方案。a）利用多孔固体材料开发电刺激响应型材料的方法。b）电刺激引发[n]CPP-I 导电和发出白色荧光。

图[1]（图片来源：名古屋大学）

合成这种材料的方法出人意料的简单。研究人员将碳纳米环（CPP）和碘混合在一起，再让它变干。然后，他们再用X射线结晶学确认，在对齐的纳米环中的空心内，碘分子排成一行（图[2]）。

图[2]：[10]CPP-I的X射线结构图，碳原子以灰色表示，碘原子以紫色表示。

图[2]（图片来源：名古屋大学）

团队通过改变碳纳米环的数量，尝试了这种混合物的几种变化，最终发现10个环导致的碘原子运动最有活力，并且对于外部环境变化最敏感。

当直接将电流施加于[10]CPP-I，样本的体积电阻率降低约380倍，这表明它是导电的，而不是阻碍电流通过。具有9个或者12个纳米环的混合物中的体积电阻率并没有降低多少，如图[3]所示。这些研究结果表明纳米环的孔径控制了其对于电刺激的反应。

图[3]：在电压偏置作用下，[n]CPP-I体积电阻随着时间的变化。

图[3]（图片来源：名古屋大学）

JST-ERATO 项目的博士后研究员 Noriaki Ozaki 博士称：

“这项研究最具困难性的部分之一，就是研究由于电刺激带来的[10]CPP-I导电性。尽管我们只花了三个月时间合成分子，以及探索其电刺激响应特性，但是却又花了一年时间探索其特性的起源。”

最终，团队利用X射线吸收近边光谱（XANES）、拉曼光谱以及荧光光谱，搞清楚了[10]CPP-I 在电刺激下是如何导电的。这些分析显示碳纳米环中的碘原子，当受到电刺激时，会形成延伸的多碘化合物链，从而使得材料具有导电性。

图[4]：在偏置电压施加之前和之后的[10]CPP-I 摄影图像。

图[4]（图片来源：名古屋大学）

研究人员也发现，电刺激可以改变 [10]CPP-I 的光致发光颜色，从绿-蓝色变成白色，如图[4]所示。白色光线说明[10]CPP-I 的荧光光谱覆盖了整个可见光范围。

频谱展宽归因于CPP的电子结构的不规则分布，这种不规则分布又是由于多碘化合物链的形成而引起的，如图[5]所示。[10]CPP-I 的白色光线是单个分子组装成的白色照明材料的一个罕见的例子；白光发射通常要通过混合不同颜色的几种材料来共同完成。

图[5]：经电刺激的多碘化合物链示意图。

图[5]（图片来源：名古屋大学）

价值

JST-ERATO 项目的团队领导 Hirotoshi Sakamoto 博士说：

“这种‘响应型多孔主体’有望适用于不同刺激，例如光致辐射、热应用和pH 值改变。它为以一种可靠和可预测的方式开发刺激响应型材料，开拓了一条通向新型通用策略的途径。”

JST-ERATO 项目主管和 ITbM 中心总监 Kenichiro Itami 教授称：

“我们对于开发出这种简单而强大的方法，完成外部刺激响应型材料的合成，感到非常兴奋。”

参考资料

【1】http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/en/research/2017/07/CPP-I.php

【2】This article "Electrically-Activated Conductivity and White Light Emission of a Hydrocarbon Nanoring-Iodine Assembly" by Noriaki Ozaki, Hirotoshi Sakamoto, Taishi Nishihara, Toshihiko Fujimori, Yuh Hijikata, Ryuto Kimura, Stephan Irle and Kenichiro Itami is published online in Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.201703648