利用可见光通过聚合反应使有机晶体固化

《Journal of the American Chemical Society》：Stiffening Organic Crystals through Polymerization Using Visible Light

光聚合增强有机晶体机械性能研究：通过可见光诱导单晶B10向聚合物单晶PB10的拓扑化学转化，实现分子间π堆积作用向强C-C键的转化，晶格收缩4%，机械强度提升81倍，韧性提升228倍，负载能力达10^5倍自重，为柔性电子等应用提供新策略。

　　本研究探讨了一种利用可见光驱动的单晶到单晶光聚合过程，显著提升了有机晶体的机械韧性。这种材料具备高强和高韧性，是柔性电子和仿生设备的理想选择。然而，传统的有机材料往往在强和韧性之间存在权衡，即提高强度通常会牺牲韧性，反之亦然。研究人员通过一个名为B10的有机分子，实现了在光聚合过程中同时增强其机械强度和韧性，且不会破坏其晶体结构。这一突破为设计高性能、柔韧且耐用的有机材料提供了新的思路。

B10是一种有机分子，其晶体在可见光照射下会发生形态变化，包括分裂、卷曲和直化，同时伴随着颜色从红色变为无色。这种变化是由于分子结构的重组，即原本较弱的π···π堆积相互作用被更强的C–C共价键所取代。这种分子层面的转变不仅改变了材料的结构，还显著提升了其机械性能。具体而言，经过光聚合后的PB10晶体，其断裂韧性提高了约228倍，同时拉伸模量和拉伸韧性也分别提升了近81倍。此外，PB10晶体展现出惊人的承载能力，能够承受超过其自身质量10万倍的负载，充分体现了其机械强度的显著提升。

这一现象的实现依赖于光诱导的分子重组过程。B10晶体在可见光照射下，分子间的相互作用发生变化，导致其物理形态的动态响应。例如，当受到光照时，B10晶体可以迅速卷曲、跳跃，并最终直化。这些动态变化不仅限于表面，而是贯穿整个晶体内部。在光聚合过程中，晶体内部的分子逐渐形成共价键，使得材料从单纯的弹性体转变为兼具弹性和塑性的结构。这种转变使得材料在承受外力时能够更好地吸收和分散能量，从而提高了其抗断裂能力。

研究人员还通过实验验证了这一过程的可逆性。当PB10晶体被加热至约483 K时，其颜色会逐渐恢复为红色，并开始重新熔化。这表明，光聚合过程是可逆的，且在热的作用下，材料能够回到其原始状态。这种可逆性为未来的材料应用提供了灵活性，使其能够在特定条件下进行状态调控。

在机械性能方面，B10和PB10晶体表现出显著的差异。B10晶体在受到外力时容易发生断裂，而PB10晶体则展现出更高的韧性和承载能力。例如，当用针尖对B10晶体施加压力时，它会在负载增加到2.4克时发生断裂。而PB10晶体则能够在负载增加到100克时仍保持结构完整性，显示出更强的抗断裂能力。此外，PB10晶体在低温下（如液氮温度）依然能够保持良好的柔韧性和塑性，进一步验证了其在不同环境下的适应性。

通过对比实验，研究人员还发现PB10晶体在弯曲、拉伸和剪切等测试中表现出优异的性能。在弯曲测试中，PB10晶体的弹性模量和断裂韧性均优于B10晶体，而在拉伸测试中，其韧性提升了约81倍。这些结果表明，光聚合不仅改变了材料的微观结构，还对其宏观机械性能产生了深远影响。

此外，材料的表面特性也发生了显著变化。光聚合后，PB10晶体的表面粗糙度降低，从B10的13.6纳米降至2.60纳米，这使得其表面更加光滑。这种表面变化可能与其内部分子结构的重组有关，进一步提升了材料的整体性能。同时，PB10晶体在承受压力时表现出更高的耐久性，即使在较大的负载下仍能保持结构稳定，这为未来的柔性电子设备和仿生材料提供了可靠的基础。

本研究的发现具有重要的应用价值。通过光聚合，有机材料可以在不破坏其晶体结构的前提下实现机械性能的显著提升。这种策略不仅适用于B10晶体，也为其他有机分子的光聚合提供了理论支持和实验参考。未来，研究人员计划开发更多具有光聚合能力的有机晶体材料，并进一步优化聚合过程，以实现更高效的性能提升。这一进展有望推动柔性电子、生物传感器、自修复材料等多个领域的技术创新，为下一代高性能有机材料的设计和应用开辟新的方向。