日本科學家開發出製造刺激響應型材料的新方法

導讀

最近，日本名古屋大學的科學家們開發出一種新方法，它能以一種可預測的方式製造刺激響應型材料。他們使用這種方法設計出一種新材料：碳納米環與碘的混合物。它可以導電而且在通電時能發出白光。這種新方案可以製造出一些列可靠的刺激響應型材料，它們可以應用於存儲器件、人造肌肉和給葯系統等領域。

關鍵字

材料、光學、分子

背景

刺激響應型材料是指在外部環境因素刺激下，自身的物理和化學特性發生相應變化的材料。這些刺激因素包括：光致輻射、熱量、壓力和電流。有鑒於此，刺激響應型材料可廣泛應用於光碟、計算機存儲器件和顯示器件、人造肌肉和給葯系統等眾多領域。

科學人員一直都致力於以一種可預測的方式，開發新型刺激響應型材料。然而，設計和控制這些材料複雜的分子排列，是一項極其困難的工作。

創新

最近，來自日本名古屋大學 JST-ERATO Itami 分子納米碳項目和轉化生物分子研究所（ITbM）的團隊聯合開發出一種簡單且可靠的方法，它可用於合成刺激響應型材料。這項研究的成果最近發表於《Angewandte Chemie International Edition》期刊。

我們可以通過下面這張電刺激響應型多孔碳納米環與碘的混合物示意圖，簡單了解一下這種新材料。外部的電刺激引起這種新材料導電且發出白光。

（圖片來源：名古屋大學）

技術

這種「響應型多孔主體」（responsive porous host）方法採用具有多孔框架的分子與「客體」分子綁定。這些客體分子很可能對外界刺激作出響應（如圖[1]a所示）。

在這個案例中，團隊發現了[10]cycloparaphenylene（[10]CPP），一種碳氫化合物分子，由10個相互連接苯環組成。它是連接碘 (I) 的理想主體。碘置身於多孔碳環內，並且響應電刺激。

這樣不僅能夠導電，而且也可以激發白光，這一點非同尋常。特別是，許多其他部件需要獲取白光。這種新材料[10]CPP-I，可用於下一代照明系統。

圖[1]：電刺激響應型材料的新合成方案。a）利用多孔固體材料開發電刺激響應型材料的方法。b）電刺激引發[n]CPP-I 導電和發出白色熒光。

圖[1]（圖片來源：名古屋大學）

合成這種材料的方法出人意料的簡單。研究人員將碳納米環（CPP）和碘混合在一起，再讓它變干。然後，他們再用X射線結晶學確認，在對齊的納米環中的空心內，碘分子排成一行（圖[2]）。

圖[2]：[10]CPP-I的X射線結構圖，碳原子以灰色表示，碘原子以紫色表示。

圖[2]（圖片來源：名古屋大學）

團隊通過改變碳納米環的數量，嘗試了這種混合物的幾種變化，最終發現10個環導致的碘原子運動最有活力，並且對於外部環境變化最敏感。

當直接將電流施加於[10]CPP-I，樣本的體積電阻率降低約380倍，這表明它是導電的，而不是阻礙電流通過。具有9個或者12個納米環的混合物中的體積電阻率並沒有降低多少，如圖[3]所示。這些研究結果表明納米環的孔徑控制了其對於電刺激的反應。

圖[3]：在電壓偏置作用下，[n]CPP-I體積電阻隨著時間的變化。

圖[3]（圖片來源：名古屋大學）

JST-ERATO 項目的博士后研究員 Noriaki Ozaki 博士稱：

「這項研究最具困難性的部分之一，就是研究由於電刺激帶來的[10]CPP-I導電性。儘管我們只花了三個月時間合成分子，以及探索其電刺激響應特性，但是卻又花了一年時間探索其特性的起源。」

最終，團隊利用X射線吸收近邊光譜（XANES）、拉曼光譜以及熒光光譜，搞清楚了[10]CPP-I 在電刺激下是如何導電的。這些分析顯示碳納米環中的碘原子，當受到電刺激時，會形成延伸的多碘化合物鏈，從而使得材料具有導電性。

圖[4]：在偏置電壓施加之前和之後的[10]CPP-I 攝影圖像。

圖[4]（圖片來源：名古屋大學）

研究人員也發現，電刺激可以改變 [10]CPP-I 的光致發光顏色，從綠-藍色變成白色，如圖[4]所示。白色光線說明[10]CPP-I 的熒光光譜覆蓋了整個可見光範圍。

頻譜展寬歸因於CPP的電子結構的不規則分佈，這種不規則分佈又是由於多碘化合物鏈的形成而引起的，如圖[5]所示。[10]CPP-I 的白色光線是單個分子組裝成的白色照明材料的一個罕見的例子；白光發射通常要通過混合不同顏色的幾種材料來共同完成。

圖[5]：經電刺激的多碘化合物鏈示意圖。

圖[5]（圖片來源：名古屋大學）

價值

JST-ERATO 項目的團隊領導 Hirotoshi Sakamoto 博士說：

「這種『響應型多孔主體』有望適用於不同刺激，例如光致輻射、熱應用和pH 值改變。它為以一種可靠和可預測的方式開發刺激響應型材料，開拓了一條通向新型通用策略的途徑。」

JST-ERATO 項目主管和 ITbM 中心總監 Kenichiro Itami 教授稱：

「我們對於開發出這種簡單而強大的方法，完成外部刺激響應型材料的合成，感到非常興奮。」

參考資料

【1】http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/en/research/2017/07/CPP-I.php

【2】This article "Electrically-Activated Conductivity and White Light Emission of a Hydrocarbon Nanoring-Iodine Assembly" by Noriaki Ozaki, Hirotoshi Sakamoto, Taishi Nishihara, Toshihiko Fujimori, Yuh Hijikata, Ryuto Kimura, Stephan Irle and Kenichiro Itami is published online in Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.201703648

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