连耿直的有机晶体也能弯了

材料牛注：由于相互作用力的存在，使得晶体呈现又硬又脆的物理性质。最近来自印度科学理工学院的Reddy利用纸张折叠成笔记的原理，赋予了晶体如纸张的柔软特性。

晶体材料，比如钻石或者宝石，以又脆又硬为特征，但是由有序排列的有机分子制成的晶体却能屈能伸。尽管这类晶体材料之前是在偶然的条件下被发现的，现如今研究人员已经能通过削弱重复单元的作用力来设计有机分子，那样便能形成具有可塑性的晶体材料(J. Am. Chem. Soc. 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05118)。该设计原理能被用于众多工程材料，诸如有机太阳能电池和发光二极管，也可以是用于制药工业的助剂，相关人员说道。

关于有机晶体的结构如何影响材料的机械性能，这一点人们知之甚少。但是印度科学理工学院和加尔各答研究所的C. Malla Reddy与同事合作，使用一种较为熟悉的原理制得可塑性晶体。该原理为：在机械应力下，弱连接是能轻易断裂和重组的，有时也能让材料仅仅发生弯曲不断裂。为了解决弱连接的能量问题，他们于是设计了三种有机分子以形成不同的可塑性晶体。

第一类以萘二亚胺为结构单元，两端连有球形的甲基或者叔丁基基团。每个结构单元中心的芳环一个接一个堆叠成一维的晶体。同时，这些堆叠单元的相互作用是利用烷基基团间微弱，短暂的静电吸引。这些相互作用生成了贯穿晶体的平面，所在的层在晶体被弯曲的时候能够擦肩而过。Reddy将这样的滑移比喻为层叠的纸张折叠成笔记本。利用该可塑性，研究员于是将显微镜下的晶体塑形成字母的形状。

而第二类分子，研究员把苯甲酸取代物的结构单元利用相对较强的氢键作用力在一个方向上聚集，通常在晶体工程中被用来连接各个结构单元。在其他维度上，位于结构单元末端的氯原子和溴原子的弱卤素作用力产生了滑移层，使晶体间具有可塑性。

研究者用连接卤代或者烷基化苯胺化合物的香兰素制得第三类结构单元。这类分子形成的晶体遇到光变色，或者受热后驱使自己离开表面——这些性质在记忆光学以及机械活性材料的应用领域有很大作用。这样的情况，是由于烷基基团和卤素基团的弱相互作用形成了滑动。

印度科学理工学院的Gautam R. Desiraju表示为了制备可弯曲成字母的晶体仍需要大量的化学研究。他称其为晶体工程中的“理想研究”，因为研究者可以通过自己的认知，关于晶体的分子如何影响结构和物理性质来设计和构造晶体。

Reddy希望其他研究者应用弱相互作用力以设计可塑性有机半导体分子和制药助剂。在制药过程中，活性成分常常与辅药结合，作为构思和生产过程的一部分。Reddy认为如果辅药制成了脆性粉末，它会在搅拌中破碎，得到不一致的产品，而可塑性晶体能帮助解决这一问题。

原文链接：Organic crystals designed for flexibility

文献链接：Mechanically Flexible Organic Crystals Achieved by Introducing Weak Interactions in Structure: Supramolecular Shape Synthons

本文由编辑部杨洪期提供素材，张轶洁编译，点我加入材料人编辑部。