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南开大学徐加良《自然·通讯》:基于有机分子晶体的鲁棒热弹性微驱动器

来源:南开大学

  热致晶体的特征是由热诱导引起的固态到固态的直接相转变,并伴随着各向异性晶格扩展引起晶体突然的跳跃、弯曲、变形或是旋转等机械响应。它们属于一类动态晶体,可对热、光或压力等外部刺激作出响应,并伴有电、光、磁、机械等各种特性的开关效应。有机晶体因其易碎性难以适应晶体形状和尺寸较大的各向异性变化,强烈的形变通常导致其自身破裂、分裂甚至爆裂等结构的破坏。因此,设计一种能够在外界刺激下可逆地改变形状的机械响应分子晶体,对于设计用于软体机器人、人造肌肉和微流控装置的驱动器至关重要。

  最近,南开大学徐加良研究员课题组与荷兰拉徳堡德大学(RadboudUniversity)分子与材料研究所TheoRasing教授团队合作,报道了一种新型的基于有机分子晶体的鲁棒热弹性微驱动器。他们设计合成了一种新型的芴酮衍生物(4-DBpFO),其分子由芴酮中心在2、7位两边分别以单键连接两个联苯单元构成,这一独特结构具有很大的自由度,在加热时其小的刚性平面可以绕单键旋转,从而发生固体到固体的直接相变。

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  该晶体在(010)晶面上表现出一种很强的可逆剪切形变,这种转变被证实是由分子中微小的构象变化所引起的。当这些变化在晶体中传播,导致晶体形状的宏观变化,由于伪对称,原则上这种相变可在同一晶体的两个方向上发生,通过两条不同的路径进行相变,最终得到相同的镜像方向的晶体形状。形变沿着两个正交的晶体面进行,具有良好的可逆性,在超过100个周期的温度诱导的结构相变过程中没有可见的磨损,证明4-DBpFO作为热致材料具有优异的扛疲劳性。

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  值得关注的是,这些微小晶体的直接相转化产生了极大的机械能。研究人员甚至用它来移动质量是其一万倍的玻璃珠。他们将晶体固定在基板的一侧,通过精确的控温使晶体(200×200×50μm)发生形变相转化,对玻璃珠子进行强烈“踢击”,使得珠子以大于6.5×10-11J的动能移动。在此过程中,产生的工作密度(单位体积或材料质量的输出机械能)超过270J·kg-1,比大多数典型的MEMS(微机电系统)或最近发现的自主执行器的性能大两个数量级之多。

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  这一研究成果最近以“Robustthermoelasticmicroactuatorbasedonanorganicmolecularcrystal”发表在《NatureCommunications》上。南开大学徐加良研究员与拉徳堡德大学TheoRasing教授为论文的共同通讯作者。

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