注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
光响应动态分子晶体材料因其在光驱动下展现可控形态变化与机械运动，近年来备受关注。分子晶体中基于分子间非共价作用构筑的具有长程各向异性有序堆积结构，结合光调控策略固有的快速、精准特性，使其在智能开关、人工肌肉、光致动器、光波导器件及纳米机器人技术等领域具有重要应用价值。此前研究者通过系统研究晶体中光异构化、光环加成等不同光化学反应诱导分子结构变化，成功实现晶体弯曲、扭曲、跳跃、滚动、剥离、膨胀和摆动等多种运动模式，充分展现了光调控技术在晶体动态响应方面的优势。然而，这些光响应的可逆性和循环稳定性往往不足，大大限制了其实际应用。
近日，华东理工大学化学与分子工程学院曲大辉/童非研究团队介绍了一种新型光活性分子晶体（MCA），其分子结构以萘为基本骨架，同时含有乙烯结构和不对称的尾部。MCA分子在可见光照射和加热下进行可逆头尾[2 + 2]光二聚环化反应，形成头尾光二聚体分子。另一方面，通过在玻璃表面快速挥发MCA的乙醇溶液可以高效制备获得结构规整、结晶度高且带有螺旋形貌的晶体纤维。通过改变溶剂蒸发温度可以进一步精细调节螺旋纤维的螺距、长度与宽度。MCA晶体纤维在光照射下展现解扭曲运动（untwist），并在温和加热下重新扭曲（twist）。这种动态可逆运动主要由光照与加热过程中MCA分子光二聚环化反应与亚稳态产物二聚体分子 (d-MCA) 的逆向分解造成（图1）。
图1. MCA有机螺旋结晶纤维在光照和热刺激下发生可逆的固态[2 + 2]光二聚环化反应，产生多次解扭和扭曲可逆循环运动。
在多次动态解扭和扭曲循环运动过程中，螺旋纤维的结晶性和整体螺旋形态可得到很好地保留，从而允许多次往复循环运动。在间歇性光激发和连续加热下，MCA结晶纤维可以在5小时里进行高达200次以上的周期性解扭和扭曲运动。进一步研究表明，光二聚体（d-MCA）的含量显著影响光响应，导致不同二聚体含量下的纤维完全可逆循环、部分反向解扭或完全解扭（图2）。此外，研究人员还发现只需形成大约10%的d-MCA就足以驱动螺旋纤维进行持续循环运动。该研究结果为制造基于螺旋扭曲运动的新型动态有机晶体提供了新的范例，并有望应用于未来软体机器人和光致动器等智能体系的开发与构筑。
图2. 通过控制光二聚化反应程度控制螺旋晶体纤维运动
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，论文以华东理工大学为唯一通讯单位，论文第一作者为化学与分子工程学院博士研究生邱笑东，通讯作者为曲大辉教授与童非副教授。
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Regulating Reversible Untwisting and Twisting Motions in Helical Dynamic Molecular Crystals
Xiao-Dong Qiu, Lin Chen, Jia-Wang Hou, Hui-Yao Lin, Tian-Yi Xu, Fei Tong, He Tian, Da-Hui Qu
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c01145
作者介绍
曲大辉，华东理工大学教授、博导、国家杰青、英国皇家化学会Fellow（FRSC)。2006年华东理工大学化学与分子工程学院博士毕业，师从田禾院士，获全国百篇优博；随后进入荷兰格罗宁根大学诺贝尔化学奖得主Ben L. Feringa教授课题组从事博士后研究。2009年回国后建立课题组进行有机功能分子机器和超分子化学的研究。在Chem. Rev., Sci. Adv., Chem, Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Sci.等国际一流杂志上发表SCI论文100余篇。曾获2008年度全国百篇优秀博士学位论文奖以及2010年度霍英东教育基金会高等院校青年教师基金，入选2010年上海市浦江人才计划、2019年上海市优秀青年学术带头人计划、2019年教育部青年长江学者计划、2020年国家自然基金委杰出青年基金。
课题组网页：
https://www.x-mol.com/groups/qu_dahui
童非，华东理工大学副教授，博士生导师，主要从事光响应有机功能材料研究，聚焦动态光响应有机晶态材料的可控制备、微纳精细加工及固态晶体中光化学反应过程等方面的研究。至今在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chem., Chem. Soc. Rev.等各类化学及材料科学领域高水平学术期刊上发表论文近50篇，参与撰写英文专著2部，主持国自然面上基金、青年基金、上海市科委面上项目等多项国家及省部级科研项目，曾获上海市海外高层人才、上海市东方学者特聘教授。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：我们的研究兴趣聚焦开发光驱动下响应行为精准可控的动态有机晶体新材料。光作为一种清洁能源可以实现对材料的无接触远程操控，同时其参数如照辐时间、光照强度、偏振度、入射方向均可以精准调控。另一方面，光响应有机分子晶体材料由光活性分子通过分子间非共价相互作用堆积排列而成，具有结构明确，响应迅速，形式多样的特点。我们的目标是探索如何通过控制晶体中分子光化学反应过程进而实现宏观晶体层面的可控响应行为，如机械运动、对外做功以及动态变形。并进一步将这些独特的动态响应运用于实际场景中，如药物递送、光制动器、软体机器人、仿生肌肉等。
我们致力于通过分子理性设计与精准合成创造出具有持续响应行为的高性能动态晶体材料，以满足未来技术发展需求。为此，我们在分子骨架中引入了光响应结构和不对称基团，并基于此成功开发了一种具有螺旋形态的晶体纤维材料。这种材料具有极高的动态性能，晶体中分子的可逆光化学反应可以有效驱动晶体纤维产生扭转运动，并在可见光照射与加热条件下实现持续循环。此外，通过控制光照时间和加热温度，可以很好的调节晶体中光化学反应程度与螺旋纤维的响应行为。
这一创新方法不仅证明了利用分子光化学反应操控晶体持续动态运动的可能性，也为开发智能光控晶态材料提供新的思路。通过研究，我们不仅深化了动态分子晶体中光化学过程的理解，还为智能响应晶态材料的应用与开发开辟了新的领域，推动了相关技术的发展和进步。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本研究中面临的最大挑战在于螺旋晶体的高效制备以及精准确定螺旋形态晶体的晶体结构，并将晶体中分子光化学反应与晶体动态循环运动结合起来。在这个过程中，我们首先通过不断优化螺旋晶体制备生长过程中所涉及的条件，如温度、溶剂种类、溶液浓度等关键参数，通过反复试验和测试获得最佳条件。进一步，通过晶体X射线衍射、核磁共振、光谱测试等多种表征手段相结合对晶体中光产物、晶体结构、晶体形态演变等进行精细测量与表征，最终成功克服了这一挑战。
此外，这项研究中涉及功能材料构筑与应用开发，而我们团队主要来源于化学专业的基础研究，因此在展示材料潜在应用与功能方面尚有不足。为了克服这一问题，我们希望未来能够与相关领域研究者一起合作，共同挖掘开发动态晶体材料的实际应用，并推动相关研究达到更高水平。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该螺旋晶体材料在光控与加热条件下进行循环往复的扭转运动，可以广泛应用于微型螺旋推进器，致动器以及微型智能机器人等领域。我们相信这项研究成果为相关智能响应晶态材料的设计与制备提供了一种新思路，通过利用这些材料的独特动态响应性质，将有助于推动智能器件与新材料的构筑。
