编辑推荐：
越来越多的基于钌的单晶光学致动器正在锻造一类新的光子材料，这些材料具有量子技术的前景，但很少实现完全的光转换到每种so2异构体状态。本文报道了反式-[Ru(SO2)(NH3)4（4-溴吡啶）]tosylat2的光异构化反应。
单晶光学致动器中三元分子开关的突破性研究
剑桥大学卡文迪什实验室等单位的研究人员 Jacqueline M. Cole、David J. Gosztola 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Ternary molecular switching in a single-crystal optical actuator with correlated crystal strain” 的论文。该研究在单晶光学致动器领域取得重要突破，为量子技术等领域的发展提供了新的材料基础和研究思路，有望推动相关领域的技术进步。
一、研究概述
论文中，研究团队发现了一种新型配合物 trans -[Ru (SO?)(NH?)?(4 - 溴吡啶)] 甲苯磺酸盐 2（1），其在 90K 时能产生 100% 光转化的 η1 - OSO 异构晶体结构，升温至 100K 时完全转变为 η2 - (OS) O 光异构体，加热至室温时又能完全恢复为暗态 η1 - SO?结构。通过原位光诱导单晶 X 射线衍射、光吸收光谱、光学显微镜和原位光诱导原子力显微镜等技术手段，研究人员对该配合物的晶体结构、光学吸收特性、热稳定性以及光诱导的微观和纳米级晶体应变进行了深入研究。
二、研究背景
（一）单晶光学致动器的应用前景
单晶光学致动器作为一类新型光子材料，在光驱动分子机器、微型机器人、光学数据存储和量子计算电路等领域展现出广泛的应用前景。单晶因其高度纯净的固态介质特性，为光子控制提供了理想平台，而基于光诱导结构变化的晶体致动器，其结构变化能在周期性晶格环境中产生长程效应，呈现出有序的光子特征，这种 “非平衡” 的光结构效应成为固态化学研究的新热点。
（二）含过渡金属配合物的研究现状
含有过渡金属（如钌）的配位配合物备受关注，其金属 - 配体电荷转移（MLCT）特性使其具有宽带光吸收能力，同时能保持良好的热稳定性。其中，SO? - 键光异构化常是配位配合物中单晶光学致动微观表现的基础分子尺度现象。此前研究的 [RuSO?] 配合物中，虽有单晶光学致动现象的报道，但存在光转化不完全的问题，如 [Ru (SO?)(NH?)?(3 - 苯基吡啶)] ICl??H?O 中 η1 - OSO 异构体的光转化仅为 52% ，且完全转化为 η1 - OSO 光异构体的情况很少见，η2 - (OS) O 光异构体也从未以 100% 光转化的形式被分离出来。
三、研究材料与方法
（一）材料合成
以 [Ru (NH?)?Cl] Cl 为起始原料，与 NaHSO?反应，经多步反应合成 trans -[Ru (SO?)(NH?)?Cl] Cl，再与 4 - 溴吡啶盐酸盐和对甲苯磺酸反应，最终得到目标配合物 trans -[Ru (SO?)(NH?)?(4 - 溴吡啶)] 甲苯磺酸盐 2（1）。通过标准单晶 X 射线衍射和光晶体学对其暗态和光诱导态的三维晶体结构进行全面表征。
（二）材料表征
- 单晶 X 射线衍射：利用美国阿贡国家实验室的单晶 X 射线衍射仪，在不同温度（90K 和 100K）和光照条件下，对配合物 1 的暗态和光诱导态晶体结构进行测定。实验过程中用铝箔覆盖衍射仪窗口以控制光照，通过多步扫描和数据处理，获取晶体结构信息。
- 光吸收光谱和显微镜：搭建定制的微光谱系统，在多种光和温度条件下记录单晶的吸收光谱。将晶体安装在蓝宝石盘上，置于光学低温恒温器中，用特定波长（505nm）的光诱导光异构化，通过测量透过晶体和蓝宝石基板的光强度计算吸收光谱，并结合显微镜观察晶体的光致变色现象。
- 原子力显微镜：将晶体固定在蓝宝石盘上，放入超高真空低温原子力显微镜中，用 510nm 激光以掠射角照射晶体，在低温下（低于 90K）进行扫描成像。通过采集不同光照时间和温度下的图像，研究光诱导晶体应变和裂纹的形成与变化。
四、研究结果
（一）暗态和光诱导晶体结构
研究人员成功捕获了配合物 1 在不同温度和光照条件下的三种完全形成且长程有序的 SO?异构晶体结构。100K 时，η1 - SO?暗态晶体结构稳定，其八面体配位环境中各原子键长和键角具有特定规律。100K 光照后，得到 100% 光转化的 η2 - (OS) O 异构体，此结构此前在任何盐的晶体结构中都未被捕获。90K 光照时，形成 100% 光转化的 η1 - OSO 异构体，该异构体的相关原子各向异性位移参数沿阳离子主轴伸长，表明晶体结构接近相变状态。此外，配合物 1 光异构化过程导致晶胞尺寸发生显著变化，晶胞长度 a 增大、b 大幅收缩，这种变化引发晶体微观裂纹的形成。
（二）异构体的光吸收光谱特征
配合物 1 的 η1 - SO?暗态异构体在 425 - 625nm 波长范围内有一个主要吸收峰，与其他 [RuSO?] 配合物相比，其吸收光的波长更长。η1 - OSO 光异构体的光吸收光谱覆盖全可见光谱范围，有两个宽吸收带，分别位于 450nm 和 675nm 附近，与 3 - 卤代吡啶基 [RuSO?] 配合物相比，缺少 550 - 600nm 处的突出峰。η2 - (OS) O 光异构体呈暗黄灰色，其光吸收光谱在可见光范围内为泛色，有一个中心位于 460nm 的宽吸收带。
（三）光异构体的热稳定性
在 90K 时，η1 - OSO 光异构体具有亚稳性，通过测量光吸收光谱和观察光致变色现象可知，其颜色在 1 小时测试期内保持稳定。在 105K 时，η1 - OSO 光异构体会缓慢转变为 η2 - (OS) O 光异构体，这一过程可通过光吸收光谱的变化和光学显微镜图像中晶体颜色的改变得以证实，当温度进一步升高至约 200K 时，晶体完全恢复为暗态 η1 - SO?异构体。
（四）光诱导的微观和纳米级晶体应变
光学显微镜图像显示，配合物 1 在光照下会产生严重的微观裂纹，且随着温度升高，裂纹逐渐减少，表明晶格应变得到缓解。原子力显微镜图像详细展示了光诱导裂纹的形成过程，从最初的表面图案变化到纳米级裂纹的产生，以及裂纹深度和宽度的变化。随着光照时间增加，晶体表面的均方根（RMS）高度单调增加；升温过程中，裂纹逐渐闭合，RMS 高度先增加后减小，当晶体恢复到暗态时，RMS 高度稳定在一定值。
五、研究结论与讨论
研究团队成功发现了一种新型 [RuSO?] 配合物 trans -[Ru (SO?)(NH?)?(4 - 溴吡啶)] 甲苯磺酸盐 2（1），其展现出热可逆的 “开裂” 形式的单晶光学致动现象。在不同温度下，该配合物能实现 100% 的 SO? - 键光异构化，形成三种不同的异构体，且每种异构体都具有独特的光学和结构特性。这种材料在光激活过程方面表现出便捷性，仅需在液氮温度下使用绿色发光二极管即可实现。其在单晶形式下就能展现光诱导现象，为光子控制提供了理想的纯净介质。
该研究成果在技术层面意义重大。首先，100% 的光转化效率为精确区分暗态和光诱导态提供了可能，有利于光子应用中的信息编码。其次，材料在量子技术领域具有潜在应用价值，为未来量子计算电路等方面的发展提供了新的材料选择。再者，其光诱导的微观和纳米级晶体应变特性，可应用于微纳机械领域，为制造新型微纳机械装置提供了理论和材料基础。
从基础研究角度来看，该发现揭示了在单晶光学致动器中创建高纯度三元光子特征的可能性，加深了人们对光诱导结构变化和分子开关行为的理解，为进一步研究单晶光学致动器的性能优化和拓展应用奠定了坚实基础。
