热致晶体的特征是由热诱导引起的固态到固态的直接相转变，并伴随着各向异性晶格扩展引起晶体突然的跳跃、弯曲、变形或是旋转等机械响应。它们属于一类动态晶体，可对热、光或压力等外部刺激作出响应，并伴有电、光、磁、机械等各种特性的开关效应。有机晶体因其易碎性难以适应晶体形状和尺寸较大的各向异性变化，强烈的形变通常导致其自身破裂、分裂甚至爆裂等结构的破坏。因此，设计一种能够在外界刺激下可逆地改变形状的机械响应分子晶体，对于设计用于软体机器人、人造肌肉和微流控装置的驱动器至关重要。

最近，南开大学徐加良研究员课题组与荷兰拉徳堡德大学（Radboud University）分子与材料研究所Theo Rasing教授团队合作，报道了一种新型的基于有机分子晶体的鲁棒热弹性微驱动器。他们设计合成了一种新型的芴酮衍生物（4-DBpFO），其分子由芴酮中心在2、7位两边分别以单键连接两个联苯单元构成，这一独特结构具有很大的自由度，在加热时其小的刚性平面可以绕单键旋转，从而发生固体到固体的直接相变。

图1. 4-DBpFO的α-相与β-相的晶体结构与形态

该晶体在(010)晶面上表现出一种很强的可逆剪切形变，这种转变被证实是由分子中微小的构象变化所引起的。当这些变化在晶体中传播，导致晶体形状的宏观变化，由于伪对称，原则上这种相变可在同一晶体的两个方向上发生，通过两条不同的路径进行相变，最终得到相同的镜像方向的晶体形状。形变沿着两个正交的晶体面进行，具有良好的可逆性，在超过100个周期的温度诱导的结构相变过程中没有可见的磨损，证明4-DBpFO作为热致材料具有优异的扛疲劳性。

图2. 相变过程中形状形变的两个方向

值得关注的是，这些微小晶体的直接相转化产生了极大的机械能。研究人员甚至用它来移动质量是其一万倍的玻璃珠。他们将晶体固定在基板的一侧，通过精确的控温使晶体(200 × 200 ×50 μm)发生形变相转化，对玻璃珠子进行强烈“踢击”，使得珠子以大于6.5×10^-11 J的动能移动。在此过程中，产生的工作密度（单位体积或材料质量的输出机械能）超过270 J• kg^-1，比大多数典型的MEMS（微机电系统）或最近发现的自主执行器的性能大两个数量级之多。

图3. 由晶体形变引起的玻璃珠位移

这一研究成果最近发表在Nature Communications上，南开大学徐加良研究员与拉徳堡德大学Theo Rasing教授为论文的共同通讯作者。

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Robust thermoelastic microactuator based on an organic molecular crystal

Yulong Duan, Sergey Semin, Paul Tinnemans, Herma Cuppen, Jialiang Xu, Theo Rasing

Nat. Commun., 2019, 10, 4573, DOI: 10.1038/s41467-019-12601-y