科学家开发出新型光控材料，可按需切换多重结构

一个科学家团队成功研制出一种非生物系统，能够根据接收到的能量水平自适应改变自身结构或状态。

未来或许会出现能够按需自我重构、像生命体般调节自身结构与特性的智能材料。日本科学家团队近日成功创建了一种超分子聚合物系统，可通过调节光照强度使其在一维、二维和三维结构之间转化。千叶大学研究人员表示，这一突破有望催生新一代高适应性智能材料。现有材料在形态固定后通常保持静态。

这项研究展示了非生物系统如何像生命体一样，根据获取的能量改变自身结构或状态。

光照强度调控机制

该研究攻克了材料科学的核心难题：创建非平衡分子组装体 —— 即能够存在于稳定热力学状态之外的结构体系。虽然前人研究曾利用外部能量实现此类状态，但鲜有系统能根据输入能量进行自适应响应。

矢贝史树教授表示："我们课题组长期致力于光控分子组装纳米至介观尺度形貌的创新研究，但尚未实现像生命体那样根据能量输入改变结构的非平衡系统。"

这项创新的核心在于一种特殊设计的分子，它将光响应性"偶氮苯"单元与"巴比妥酸基部花青"核心相结合。这种独特组合使材料在光触发与控制下呈现超分子多态性 —— 即形成不同组装结构的能力。

最初，合成分子会自组装成一维卷曲纳米纤维。在环境光下静置时，这些纤维会自然转化为热力学更稳定的二维纳米片 —— 这正是光强度调控魔法的起始点。

自适应材料特性

当二维纳米片暴露于强紫外光时，研究人员观察到戏剧性逆转：材料重新转变为一维线性纳米纤维。高速原子力显微镜显示，这种变化源于偶氮苯单元的光致异构化作用，它破坏了维持二维片状结构的氢键。

值得关注的是，这种转变特异性地发生在更易受光照射的纳米晶特定晶面上。更神奇的是，在弱紫外光照射下，系统会选择完全不同的转化路径。透射电子显微镜和原子力显微镜观测显示：较小纳米片发生解离，而较大纳米片开始垂直生长，形成复杂的三维纳米晶体。

这一被称为"奥斯特瓦尔德熟化"的过程，涉及小结构溶解并再沉积至大结构的现象。高速原子力显微镜清晰捕捉到局部生长事件，包括二次成核和外延生长过程。

矢贝教授总结道："该非平衡超分子系统为开发高功能性材料铺平了道路，这类材料能像生命系统一样响应外部刺激改变状态。展望未来，通过将光活性、电活性乃至催化功能直接整合到分子设计中，或许能创建出功能表现可随环境变化自发调整的智能系统。"

这项研究为新一代智能材料开启大门 —— 从自修复表面、动态传感器到自适应药物递送系统和能量收集技术 —— 这些材料都能对环境变化做出智能响应。

该研究成果已于11月17日发表于《化学》期刊。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！