最近，日本名古屋大学的科学家们开发出一种新方法，它能以一种可预测的方式制造刺激响应型材料, 这项研究的成果最近发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊。

他们使用这种方法设计出一种新材料：碳纳米环与碘的混合物。它可以导电而且在通电时能发出白光。这种新方案可以制造出一些列可靠的刺激响应型材料，它们可以应用于存储器件、人造肌肉和给药系统等领域。

背景

刺激响应型材料是指在外部环境因素刺激下，自身的物理和化学特性发生相应变化的材料。这些刺激因素包括：光致辐射、热量、压力和电流。有鉴于此，刺激响应型材料可广泛应用于光盘、计算机存储器件和显示器件、人造肌肉和给药系统等众多领域。

科学人员一直都致力于以一种可预测的方式，开发新型刺激响应型材料。然而，设计和控制这些材料复杂的分子排列，是一项极其困难的工作。

创新

最近，来自日本名古屋大学 JST-ERATO Itami 分子纳米碳项目和转化生物分子研究所（ITbM）的团队联合开发出一种简单且可靠的方法，它可用于合成刺激响应型材料。

技术

这种“响应型多孔主体”（responsive porous host）方法采用具有多孔框架的分子与“客体”分子绑定。这些客体分子很可能对外界刺激作出响应（如图[1]a所示）。

在这个案例中，团队发现了[10]cycloparaphenylene（[10]CPP），一种碳氢化合物分子，由10个相互连接苯环组成。它是连接碘(I) 的理想主体。碘置身于多孔碳环内，并且响应电刺激。

这样不仅能够导电，而且也可以激发白光，这一点非同寻常。特别是许多其他部件需要获取白光。这种新材料[10]CPP-I，可用于下一代照明系统。

下图为电刺激响应型材料的新合成方案。a）利用多孔固体材料开发电刺激响应型材料的方法。b）电刺激引发[n]CPP-I 导电和发出白色荧光。

合成这种材料的方法出人意料的简单。研究人员将碳纳米环（CPP）和碘混合在一起，再让它变干。然后，他们再用X射线结晶学确认，在对齐的纳米环中的空心内，碘分子排成一行（见下图）。

团队通过改变碳纳米环的数量，尝试了这种混合物的几种变化，最终发现10个环导致的碘原子运动最有活力，并且对于外部环境变化最敏感。

当直接将电流施加于[10]CPP-I，样本的体积电阻率降低约380倍，这表明它是导电的，而不是阻碍电流通过。具有9个或者12个纳米环的混合物中的体积电阻率并没有降低多少，如下图。这些研究结果表明纳米环的孔径控制了其对于电刺激的反应。

JST-ERATO 项目的博士后研究员 Noriaki Ozaki 博士称：“这项研究最具困难性的部分之一，就是研究由于电刺激带来的[10]CPP-I导电性。尽管我们只花了三个月时间合成分子，以及探索其电刺激响应特性，但是却又花了一年时间探索其特性的起源。”

最终，团队利用X射线吸收近边光谱（XANES）、拉曼光谱以及荧光光谱，搞清楚了[10]CPP-I 在电刺激下是如何导电的。这些分析显示碳纳米环中的碘原子，当受到电刺激时，会形成延伸的多碘化合物链，从而使得材料具有导电性。

研究人员也发现，电刺激可以改变 [10]CPP-I 的光致发光颜色，从绿-蓝色变成白色。白色光线说明[10]CPP-I 的荧光光谱覆盖了整个可见光范围。

频谱展宽归因于CPP的电子结构的不规则分布，这种不规则分布又是由于多碘化合物链的形成而引起的，如下图所示。[10]CPP-I 的白色光线是单个分子组装成的白色照明材料的一个罕见的例子；白光发射通常要通过混合不同颜色的几种材料来共同完成。

价值

JST-ERATO 项目的团队领导 Hirotoshi Sakamoto 博士说：“这种‘响应型多孔主体’有望适用于不同刺激，例如光致辐射、热应用和pH 值改变。它为以一种可靠和可预测的方式开发刺激响应型材料，开拓了一条通向新型通用策略的途径。”

JST-ERATO 项目主管和 ITbM 中心总监 Kenichiro Itami 教授称：“我们对于开发出这种简单而强大的方法，完成外部刺激响应型材料的合成，感到非常兴奋。”