北化尹梅貞教授和港科大唐本忠院士合作《先進功能材料》-機械力對分子自組裝形貌的可逆調控

近年來，人們對分子自組裝行為的研究越發深入。研究外界刺激調控自組裝過程不僅有助於我們了解分子自組裝機理，同時針對外界刺激響應特性可便捷有效地製備功能性熒光材料。外界刺激包括光、溫度和酸鹼等可用於調控分子組裝，但是機械力作為一種常見刺激方式卻鮮用於調控分子組裝。主要原因是難以獲得一種既對機械力響應，又具備優良自組裝性能的模型分子。最近，北京化工大學尹梅貞教授課題組和香港科技大學唐本忠院士合作，設計合成了一種對力和光雙敏感的化合物，研究了機械力對其自組裝行為的調控，並將其用作力致/光致變色材料。

P1的分子結構式以及P1在外界不同刺激調控下組裝形貌變化的示意圖

研究者巧妙地將力響應基團螺吡喃和易組裝基團萘醯亞胺通過醯胺鍵連接（如圖P1分子），實現了機械力對分子自組裝形貌的可逆調控。P1可自組裝形成纖維狀的組裝體，在紫外光照前後組裝體形貌不變，僅僅是熒光發生了改變（橙色變為粉色）。而機械力在改變P1熒光（橙色變為紅色）的同時還調控了P1的組裝形貌：實現了從微米纖維到納米球的轉變。隨後，研究者通過單晶數據、密度泛函理論（DFT）以及分子動力學（MD）模擬等手段闡述了機械力調控分子自組裝行為的內在機理：P1由於π-π堆積以及氫鍵等非共價鍵的共同作用，形成了長程有序的纖維狀組裝體；而機械力的作用增強了分子內π-π堆積、破壞了分子間氫鍵，同時使螺吡喃的碳氧弱鍵斷裂，發生開環反應，最終導致P1組裝體由纖維狀轉變為球狀。相比於機械力，紫外光照是一種弱的外界刺激，分子間氫鍵以及π-π堆積沒有發生改變，因此P1纖維狀組裝結構保持原樣。

P1在乙醚溶液中（1 mg/ml）自組裝的掃描電鏡照片：（A）初始樣品；（C）紫外光照後樣品；（E）研磨之後樣品。激光共聚焦明場照片：（B）初始樣品；（D）紫外光照後樣品；（F）研磨之後樣品。（B′），（D′）和（F′）分別是（B），（D）以及（F）在405 納米激光照射下的照片

最後研究者利用了P1分子優良的多重刺激響應特性，將其用作力致/光致變色材料。

P1在光照以及機械力作用前後的表觀顏色和熒光顏色

該研究的最大意義在於，通過螺吡喃-萘醯亞胺體系首次實現了機械力對分子自組裝形貌的可逆調控，同時作為一種多刺激響應型材料，P1在壓力感測、光感測等領域有著潛在應用。

這一成果近期以「TunableMechanoresponsive Self-Assembly of an Amide-Linked Dyad with Dual Sensitivityof Photochromism and Mechanochromism」為題，發表於Advanced Functional Materials雜誌（Adv.Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701210）。尹梅貞教授和唐本忠教授是共同通訊作者，文章的第一作者是博士研究生莫申忠。

論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201701210/full

來源：高分子科學前沿

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