青岛大学王国明课题组Angew：受火箭推进剂启发制备光机械响应晶体

刺激响应晶体是指在外界刺激（如光、热、力、酸碱等）条件下发生化学/物理变化并做出响应的一类智能材料。其中，光机械响应晶体可以将光能直接转换成各种机械形变与运动，并在软体机器人、致动器、仿生运动等领域展现应用潜力。受火箭固体推进剂的启发，气体的产生可作为驱动物体运动的强大动力源。因此，将具有分解与释放气体特性的组分融入到材料设计与组装中，有望开发出高性能光机械响应新材料。然而，当前能够在晶体内诱发光化学反应并释放气体驱动机械运动的相关研究尚处在起步阶段，尤其是如何精准调控光响应过程中物体的运动轨迹和更加有效利用产生能量做功等方面都极具挑战性。

近日，青岛大学化学化工学院的王国明课题组利用常见的金属草酸盐在固态光反应中可释放CO₂的化学特性，构筑出一种新型三维超分子晶体。在光学显微镜下观察到一些针状晶体沿着长轴方向存在可见的闭合或开放的空腔结构。通过计算机断层扫描技术（CT）对空心晶体进行三维成像扫描，证实了晶体中细长形状空腔结构的存在。同时在较厚的晶体中，光照后产生的裂纹的深度只有44.2 μm，表明化学反应仅局限于表面。这种反应在表面的局部化使得晶体在长时间的照射下，即使在发生光化学反应和释放气体时，仍能保持其完整性。

图1. 晶体结构和计算机断层扫描CT图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在365 nm紫外光照射下，光解产生的气体以气泡的形式从晶体中释放，并且明显倾向于从晶体空心结构的顶端释放。在不同光照强度的紫外光照射下，通过调控气体的释放速度，晶体表现出由可控的弯曲形变到扭曲、卷曲、跳跃的机械响应变化。

图2. 晶体在紫外光的不同光照强度下的机械响应行为。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在空心晶体中，气体在其空腔内积聚，优先从晶体顶端释放，并推动晶体本身或物体在空间上移动，如在溶液介质中类似鱼类游动和潜水艇上浮等可控运动行为。该研究成果不仅为设计新型机械响应晶体材料提供了新的思路和方法，还首次将气体释放诱导的光机械响应形变应用于微型机器人和致动器的模型中。

图3. 晶体微型机器人的应用。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，青岛大学为第一完成与通讯作者单位，王国明教授、喻琪副教授和纽约大学Pance Naumov教授为共同通讯作者。论文第一作者为2022级硕士生于春娇，共同一作为硕士毕业生姜晓帆（目前博士就读于北京师范大学），该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

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Bending, Twisting, and Propulsion of Photoreactive Crystals by Controlled Gas Release

Chunjiao Yu, Xiaofan Jiang, Marieh B. Al-Handawi, Panče Naumov, Liang Li, Qi Yu, Guoming Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202403397