近日，北京理工大学化学与化工学院姚子硕研究员在超弹性分子基单晶材料研究中取得重要进展。相关工作以“Stress-Induced Inversion of Linear Dichroism by 4,4′-Bipyridine Rotation in a Superelastic Organic Single Crystal”为题，发表在国际著名化学期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 。北京理工大学为唯一作者单位，化学与化工学院陶军教授研究团队的姚子硕研究员为文章通讯作者，文章第一作者为北京理工大学博士研究生李宇霞。
自2014年首次发现以来，具有类马氏体相变性质的有机超弹-铁弹形变单晶，因为其奇特的力学性引起了研究者广泛的研究兴趣，并有望在智能驱动、信息传感、柔性电子等领域产生新的技术应用。相较于传统的马氏体合金或者陶瓷材料，分子基单晶材料具有轻质、透明、结构可修饰性强的特点，因此在光学调控方面具有先天的优势。如何通过有效的分子设计实现单晶材料的超弹性质并进一步发掘其独特的技术应用，是该材料进一步发展所需解决的关键问题。
该研究基于压力作用下分子取向变化与超弹性质的结构关联出发，设计合成了新的晶态分子“陀螺”— (3,5-二甲基苯甲酸)-(4,4’-联吡啶)-(3,5-二甲基苯甲酸)，利用4,4’-联吡啶在剪切力作用下绕氢键轴的90°旋转，实现了单晶的无扩散形变。当撤去外力时，变形晶体迅速恢复初始状态，表现出优异的超弹性能。这种可逆的应力变形具有良好的重复性，经数十次操作，单晶无明显破损。由于4,4’-联吡啶分子平面的90°转动改变了晶格内部跃迁矩的分布，材料线二色性信号在受力状态下发生可逆反转。
该材料利用晶态“陀螺”受力下的绕轴旋转，实现了单晶材料的超弹形变，并发现了新的力-光耦合作用方式，揭示了晶态分子“陀螺”转动与材料力学性质之间的重要作用，同时力-光性质的耦合有望应用于光学调控及通讯领域。
该研究得到了国家自然科学基金（22071009、92061106和21971016）以及北京理工大学青年****科研基金项目的支持。感谢北京理工大学分析测试中心工作人员的技术支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202217977

图1. 外力作用引起三聚体内晶态分子“陀螺”转动图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.



图2. 4,4'-联吡啶90°旋转引发孪晶

图3. LD信号受力可逆反转


附双稳态功能材料课题组简介：
姚子硕，北京理工大学化学与化工学院副教授，日本九州大学博士、博士后，主要从事力、电、磁等刺激响应分子基单晶材料的研究工作，作为第一作者或通讯作者在 Nat. Chem. (1) , Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem., Int. Ed. (2)等高水平期刊发表30余篇研究论文。
陶军，北京理工大学化学与化工学院****，国家****科学基金获得者。主要从事分子磁性与功能材料研究，在 Chem. Soc. Rev. , Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc. , Angew. Chem., Int. Ed. 等高水平学术期刊发表多篇学术论文。