吉大团队用磁控让柔性晶体实现非接触弯曲，克服多方向光信号传输难题，或极大扩展柔性电子器件应用前景

一个研一学生的被质疑的想法，一位鼓励学生坚持下去的老师。“师作舟楫徒行船”，就这样一篇 Nature 子刊论文诞生了。

这位老师便是吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室教授张红雨，近日由他担任通讯作者、其团队研究生杨雪松担任一作的新论文发表。

图 | 张红雨（来源：张红雨）

近年来，在化学领域的科学研究中，柔性有机晶体是一个热门方向，其最主要的应用前景是用于光信号传输、也就是光波导柔性介质等方向。但是，实现柔性有机晶体的多方向光信号传输一直被研究得很少。

而在该研究中，该团队提出一种非破坏性的方法，即利用四氧化三铁纳米粒子组装于晶体表面，在外部磁场的操控下，对表面改性的柔性有机晶体进行非接触弯曲或运动。

“该方法让柔性晶体的应用前景得到极大扩展，超越了其他方法的现有限制，也让柔性有机晶体在多方向光信号传输方面一直存在精准性和耐用性低等难题得以克服，这将促进其在传感器和可穿戴设备等设备中的应用。”张红雨表示。

由于磁性杂化柔性晶体具有多方面的潜在优势，例如精准性高、耐用性强等。因此，磁性杂化柔性晶体不仅有望用于多方向的光信号传输，也有望在柔性有机电子器件中得到具体应用。

4 月 28 日，相关论文以《利用磁场远程精确控制有机晶体的形态和运动》（）为题发表在 Nature Communications 上。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

可用于光信号传输的柔性有机晶体

据介绍，本次论文的共同通讯作者纽约大学分子设计研究所潘切·瑙莫夫（Panče Naumov）教授等人，于 2019 年提出利用晶体本身的光致弯曲性质，并实现了柔性晶体的多方向光信号传输，相关论文发表在 JACS 期刊上。他提出的方法具有非接触弯曲的优势，但是会破坏晶体的内部结构，同时存在耐用性低、精准性低等缺点。

此后，研究者们一直未能发展出有效的驱动方式，以便在不损害晶体的内部结构的前提下实现柔性晶体的多方向光信号传输，也未能展示出柔性晶体耐用性好、精准性高的优势。

2022 年初，该课题组首次提出利用聚乙烯醇的湿度响应性质，将聚合物沉积到晶体的一侧，最终让柔性晶体在湿度驱动下实现多方向的光信号传输。

尽管此方法具有不损害晶体内部结构的优势，但灵敏度和耐用性低也是无可避免的缺点。基于此，课题组发展出了本文开头的新方法。

（来源：Nature Communications）

该方法里所描述的磁场使用，在时空控制的程度、弯曲的动力学和长时间操作的稳定性方面，都超过以前报道的使用其它刺激来控制晶体形状的方法，比如光和湿度等刺激。

研究中，该团队使用的四氧化三铁纳米粒子具有化学稳定性，它们能被很好地附着在晶体表面，不会随时间推移而分解或脱落。

张红雨团队还证实，混合晶体在数千次的弯曲下，仍能在其曲率和形状上保持精确性。总体而言，在形态和运动等方面，此次组装的有机晶体具备超高的可操控性、精准性、耐用性，并将柔性有机晶体的弯曲范围，从平面维度上升到空间维度。

此外，此次所提出的普适性策略——即在柔性有机晶体外层组装聚合物，也可成为检测气体、或生物传感器等应用的活性传感元件的一种通用方法。

三位审稿人一致认为，作者通过磁场控制柔性晶体的形貌和运动，在时空上实现了有机晶体形变形貌和空间位置的精准动态控制，解决了制约动态晶体应用的关键难题，这项工作具有原创性，立意新颖、值得发表。

（来源：Nature Communications）

不到半年，连发两篇顶刊

如前所述，前不久该课题组报道了一篇湿度驱动柔性有机晶体弯曲的论文。在此基础上，张红雨想到利用磁性控制柔性有机晶体弯曲的思路。最初，他和团队尝试利用四氧化三铁纳米粒子与 PVA（poly vinyl alcohol，聚乙烯醇）混合，通过粘连在晶体表面的方式实现柔性晶体的弯曲。

但是，该团队发现采用这种方式不仅四氧化三铁纳米粒子在 PVA 中分散不均匀，而且在晶体表面也同样是不均匀，随后通过查阅文献发现四氧化三铁纳米粒子表面带少量的负电荷，因此他们尝试通过组装的方式，将四氧化三铁纳米粒子沉积到晶体表面，最终证实四氧化三铁纳米粒子在晶体表面不仅均匀、稳定，而且在外部磁场的控制下，达到了非常好的形貌控制效果。

（来源：Nature Communications）

在时空控制程度、弯曲动力学和长时间操作稳定性方面，磁性杂化柔性晶体具备一定优势，为了验证这种优势，课题组思考并实践了一系列实验：

一、在验证时空控制程度上，将固定磁性杂化柔性晶体的一端放在硅片表面，利用磁铁控制晶体另一端的位置，最终柔性有机晶体可以变换出各种数字、字母以及其他形状。

此外将四氧化三铁沉积在晶体的两端，并将晶体放置在硅片上，通过改变硅片下方磁铁的位置来诱导和维持其在硅片上的运动。该晶体可以被认为相当于一个仿生促动器，能够在 18 秒内移动 7 厘米的距离，这意味着该实验展示了磁控驱动的灵活性。

二、在弯曲动力学的验证上，仍然把固定磁性杂化柔性晶体的一端放在硅片表面，利用磁铁控制晶体另一端的位置，磁性杂化柔性晶体可以精准指向平面 180 度范围内的任意角度。

另外，磁性杂化柔性晶体的一端被固定于毛细玻璃管，另一端放入椭圆的玻璃烧瓶中，最终晶体在磁铁控制下可以精准向空间 360 度的任意方向发生弯曲。此实验展示了磁驱动方式的超高精准性，也把柔性有机晶体的弯曲范围由平面维度上升到空间维度，张红雨表示这是巨大的突破。

三、在长时间操作稳定性的验证上，磁性杂化柔性晶体被放置在空气中或者水中，在磁铁的控制下经过多次弯曲后，也能精确指向任意位置。此实验表明晶体的动态过程仅取决于晶体的柔韧性，原则上可以无限重复，具有优良的耐用性。

同时，该团队还将磁性杂化柔性晶体的多方向柔性光波导的性能做以展示：在磁性操控下，磁性杂化柔性晶体可被用于平面和空间范围内的超精准光波导。同时在论文中，他们还讨论了磁杂化柔性晶体的磁场强度与弯曲的关系。最终，课题组将上述实验结果进行总结，随后撰写论文并进行报道。

（来源：Nature Communications）

“这让我更加坚定要多鼓励学生探索新想法”

张红雨说，研究思路来自当时还在读研一的杨雪松，当时他才刚加入课题组，对团队的研究方向不甚了解，因此有很多天马星空的想法。

记得有一天上午，杨雪松用微信给张红雨发了个晶体弯曲的视频，后者看完之后不知道对方想表达什么。随后，杨雪松表示要来办公室讨论想法，张红雨马上安排时间和他讨论。

“学生能和老师沟通想法这个行为是我非常赞赏的。后来，他到实验室和我讨论了很久，他说得非常激动，我也非常开心，因为这个想法非常新颖。接着，我给出一些具体的指导。然而，在之后的一个晚上，学生告诉我在和别人的讨论中，别人把他的想法否定了，我感觉他内心也开始否定他自己的想法。于是我马上给这个孩子发了一段长长的语音，告诉他这个想法非常新颖，可以做，要相信自己。并告诉他以后有什么想法，第一时间和我讨论。”张红雨说道。

后来，从实验开始到实验结束，张红雨时常在实验方向和具体细节上指导杨雪松，并经常鼓励学生要有自己的想法，要敢于跳出思维定势。最终经过一年的反复实验，论文终于被发表。他说：“这件事让我更加坚定，作为老师应该多鼓励学生有自己的想法，多和学生讨论、并给予支持。直到现在，这个孩子也经常和我讨论想法。”

（来源：Nature Communications）

而基于本次研究，最近该课题组在做一个关于高分子、或其他材料和柔性有机晶体结合的方向，即利用其他材料的刺激驱动响应性质、与柔性有机晶体的机械柔性、以及光信号传输功能进行集成。

该方向由张红雨团队首创，里面有许多有意思的现象。例如，他们通过组装的方式将湿度响应的聚乙烯醇沉积在柔性有机晶体表面，实现了柔性有机晶体的湿度响应，还利用低温刺激响应的聚合物沉积到晶体表面，实现了柔性有机晶体在低温下的促动器，并展现出多方面的优势。

目前，一些研究论文已被发表在 Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition 这些知名期刊上。后续，该团队也会继续深耕上述领域，将聚合物的刺激响应多样性、和柔性有机晶体的机械性能、以及光学性能做更好的结合，从而发展出全有机、多功能、高灵敏的软机器人。

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参考：

1、Yang, X., Lan, L., Li, L. et al. Remote and precise control over morphology and motion of organic crystals by using magnetic field. Nat Commun 13, 2322 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29959-1