近日，吉林大学的卢然团队利用分子晶体中的拓扑光化学反应获得了运动模式多样化的单组分“光能-机械能”转换材料。相关研究成果“Bending, curling, rolling and salient behaviors of molecular crystals driven by [2+2] cycloaddition of styrylbenzoxazole derivative”发表在8月1日出版的《德国应用化学》期刊上（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9463-9467, DOI: 10.1002/anie.201705325）。 

　　外界刺激机械响应型智能材料是能量收集与执行器构筑的核心基元。与热、电、磁、化学等刺激相比，光驱动模式具有环境友好、易于进行非接触型远程与精确控制、利于实现器件的小型化、提高响应速度、避免引入新的传播介质等优点。近年来，人们在具有光机械效应的高分子及其复合材料领域取得了长足的进步，光机械响应不仅依赖于发色团或光敏分子与基质的耦合能力，还与聚合物的机械性能有关，故材料的光能-机械能转换效率和光响应速度有待进一步提高，无法完全满足研制新一代微执行器的要求。然而，在具有光化学活性有机分子的紧密、有序堆积形成的动态分子晶体中，光机械过程发生在分子或超分子水平，有助于获得响应速度快、能量转换效率高、可逆性好的智能材料。 

　　作者表示，该团队观察到基于氯代苯乙烯基苯并噁唑的分子晶体能在紫外光的照射下弯曲、卷曲、漂移或跳跃，这种单组分材料的多重光机械效应是非常罕见的；建立于小分子有机凝胶与光机械效应之间的联系为驾驭晶体的光致动行为提供了重要的启示。首先，弹性针状晶体在垂直于晶体长轴的紫外光照射下只能向背光源一侧弯曲，晶体越细，弯曲程度越大；反方向的光照射时，弯曲的晶体将被拉直；上述“弯曲-伸直”过程可反复几次。因此，由粗细不同的针状晶体组成的“花束”在紫外光的照射下能够“绽放”。其次，通过分子的胶凝化过程制备的纳米纤维在紫外光的照射下会发生卷曲运动。此外，棒状晶体在紫外光的照射下会爆裂形成许多碎片，大部分碎片会跳出观察视野，这种光跳跃行为是光化学反应中所累积的能量得到瞬间释放的结果。 

　　在单晶结构中，氯代苯乙烯基苯并噁唑分子为三斜晶系，平行的“乙烯对”之间的距离为3.865 Å（小于4.20 Å），在紫外光的照射下发生[2+2]环加成反应，新生成的环丁烷中C-C单键的键长分别为1.580 Å和1.574 Å，导致原“乙烯对”中的每个碳原子向内靠近约1.1 Å。同时，二聚体中端侧基团向外伸展，两个端侧氯原子之间的最远距离达到7.783 Å，可见，分子水平上的光诱导“伸展”运动是分子晶体表现出宏观机械运动的驱动力。有趣的是，在光反应之前，“乙烯对”中两个苯并噁唑单元中的氧原子处于分子长轴的同侧，但是在二聚体中，它们处于环丁烷的两侧，说明在[2+2]环加成反应过程中激发态分子发生了构象的改变，这种经历激发态分子内旋转再进行环加成反应的拓扑光化学反应并不常见。 

　　作者表示，分子晶体的光机械效应是一个新的研究热点，将会重新燃起人们对固态化学，特别是拓扑光化学的研究热情，该领域的研究不仅有助于揭示光能-机械能转换的机理，还可为设计新型的能量转换材料提供新思路。