連耿直的有機晶體也能彎了

材料牛注：由于相互作用力的存在，使得晶體呈現又硬又脆的物理性質。最近來自印度科學理工學院的Reddy利用紙張折疊成筆記的原理，賦予了晶體如紙張的柔軟特性。

晶體材料，比如鉆石或者寶石，以又脆又硬為特征，但是由有序排列的有機分子制成的晶體卻能屈能伸。盡管這類晶體材料之前是在偶然的條件下被發現的，現如今研究人員已經能通過削弱重復單元的作用力來設計有機分子，那樣便能形成具有可塑性的晶體材料(J. Am. Chem. Soc. 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05118)。該設計原理能被用于眾多工程材料，諸如有機太陽能電池和發光二極管，也可以是用于制藥工業的助劑，相關人員說道。

關于有機晶體的結構如何影響材料的機械性能，這一點人們知之甚少。但是印度科學理工學院和加爾各答研究所的C. Malla Reddy與同事合作，使用一種較為熟悉的原理制得可塑性晶體。該原理為：在機械應力下，弱連接是能輕易斷裂和重組的，有時也能讓材料僅僅發生彎曲不斷裂。為了解決弱連接的能量問題，他們于是設計了三種有機分子以形成不同的可塑性晶體。

第一類以萘二亞胺為結構單元，兩端連有球形的甲基或者叔丁基基團。每個結構單元中心的芳環一個接一個堆疊成一維的晶體。同時，這些堆疊單元的相互作用是利用烷基基團間微弱，短暫的靜電吸引。這些相互作用生成了貫穿晶體的平面，所在的層在晶體被彎曲的時候能夠擦肩而過。Reddy將這樣的滑移比喻為層疊的紙張折疊成筆記本。利用該可塑性，研究員于是將顯微鏡下的晶體塑形成字母的形狀。

而第二類分子，研究員把苯甲酸取代物的結構單元利用相對較強的氫鍵作用力在一個方向上聚集，通常在晶體工程中被用來連接各個結構單元。在其他維度上，位于結構單元末端的氯原子和溴原子的弱鹵素作用力產生了滑移層，使晶體間具有可塑性。

研究者用連接鹵代或者烷基化苯胺化合物的香蘭素制得第三類結構單元。這類分子形成的晶體遇到光變色，或者受熱后驅使自己離開表面——這些性質在記憶光學以及機械活性材料的應用領域有很大作用。這樣的情況，是由于烷基基團和鹵素基團的弱相互作用形成了滑動。

印度科學理工學院的Gautam R. Desiraju表示為了制備可彎曲成字母的晶體仍需要大量的化學研究。他稱其為晶體工程中的“理想研究”，因為研究者可以通過自己的認知，關于晶體的分子如何影響結構和物理性質來設計和構造晶體。

Reddy希望其他研究者應用弱相互作用力以設計可塑性有機半導體分子和制藥助劑。在制藥過程中，活性成分常常與輔藥結合，作為構思和生產過程的一部分。Reddy認為如果輔藥制成了脆性粉末，它會在攪拌中破碎，得到不一致的產品，而可塑性晶體能幫助解決這一問題。

原文鏈接：Organic crystals designed for flexibility

文獻鏈接：Mechanically Flexible Organic Crystals Achieved by Introducing Weak Interactions in Structure: Supramolecular Shape Synthons

本文由編輯部楊洪期提供素材，張軼潔編譯，點我加入材料人編輯部。