近日，中科院高能所多學(xué)科研究中心石偉群研究員課題組在錒系分子機(jī)器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，通過(guò)錒系金屬與光活性有機(jī)輪烷的巧妙結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了錒系分子機(jī)器的可控光致宏觀力學(xué)響應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Controllable photomechanical bending of metal-organic rotaxane crystals facilitated by regioselective confined-space photodimerization” 為題在線發(fā)表于國(guó)際期刊自然通訊上（Nature Communications. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-29738-y）。
作為第一次工業(yè)革命的產(chǎn)物，機(jī)器代替了繁重的人類勞動(dòng)，從根本上改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)方式和發(fā)展進(jìn)程。作為宏觀機(jī)器的縮微化，分子機(jī)器在微觀世界中同樣發(fā)揮著重要作用。分子機(jī)器由分子尺度的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，在外界能量驅(qū)動(dòng)條件下能行使某種特定功能。學(xué)者們通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)分子機(jī)器的精確構(gòu)建，有望引來(lái)材料和信息技術(shù)的新一輪變革。近年來(lái)，以輪烷、鎖烴等常見(jiàn)的具有動(dòng)態(tài)行為的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分子機(jī)器相關(guān)研究已取得了較大進(jìn)展，學(xué)者們對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的操控已經(jīng)達(dá)到了前所未有的新高度。2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位超分子化學(xué)家，他們的貢獻(xiàn)就是“發(fā)明了行動(dòng)可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機(jī)器”。
目前分子機(jī)器離實(shí)際應(yīng)用尚有距離，能否走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)其器件化與集成化，其中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題在于如何操控其微觀結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器的宏觀機(jī)械響應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)在前期錒系-有機(jī)輪烷配合物研究的基礎(chǔ)上，首次將具有光二聚活性的葫蘆[8]脲主客體體系引入到鈾酰-輪烷結(jié)構(gòu)中，成功構(gòu)筑了一例新型光活性錒系聚輪烷材料，并實(shí)現(xiàn)了該材料在紫外光照射下的可控宏觀力學(xué)響應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)對(duì)這一宏觀光致動(dòng)分子機(jī)器的微觀分子機(jī)制進(jìn)行了解析：由于材料晶格中各結(jié)構(gòu)單元的巧妙組裝，局部光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以在晶格中有效累積，最終誘導(dǎo)了棒狀晶體材料的光致彎曲。而且，與其它光致彎曲晶體相比，本工作中晶體材料的光致彎曲速率要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為晶態(tài)分子機(jī)器光致響應(yīng)的中間態(tài)化合物捕捉及其宏觀彎曲的精確控制提供了可能。
該研究實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器的微觀結(jié)構(gòu)變化向宏觀力學(xué)響應(yīng)的跨越，將分子機(jī)器向?qū)嵱没较蜃隽擞辛Φ耐苿?dòng)。通過(guò)建立微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀可控運(yùn)動(dòng)之間的構(gòu)效關(guān)系，也為構(gòu)筑其它具有宏觀響應(yīng)和可控運(yùn)動(dòng)行為的新型分子機(jī)器提供了新思路和科學(xué)參考。
該項(xiàng)目得到了國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目（21925603），國(guó)家自然科學(xué)基金（22122609, 22076186和22076187）與中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2020014）的資助支持。論文的第一作者是核能化學(xué)團(tuán)隊(duì)的博士生耿峻山，石偉群研究員、梅雷青年研究員和四川大學(xué)的馮文教授為論文的通訊作者。
論文信息：Jun-shan Geng, Lei Mei,* Yuan-yuan Liang, Li-yong Yuan, Ji-pan Yu, Kong-qiu Hu, Li-hua Yuan, Wen Feng,* Zhi-fang Chai, Wei-qun Shi*. Controllable Photomechanical Bending of Metal-organic Rotaxane Crystal Facilitated by Regioselective Confined-Space Photodimerization. Nat. Commun. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-29738-y.
