关于某些晶体为何跳而另一些晶体崩溃的新见解

结晶跳跃力：在PHA分子中，包含氟-（F）-，氧-（O）-和氮-（N）-的有机分子部分（每个有机部分）围绕一个中心钯-（Pd）-原子分组（顶部）。分子结晶成不同的形式。当它从形式转α换为342至γ355开氏温度（K）时（相当于69至82摄氏度）时，晶体会非常迅速地膨胀并大量生长，从而导致其从下面的表面跳升。

一组研究人员发现了使有机金属化合物六氟乙酰丙酮钯跳跃的力量。这种热盐效应可能会应用于人造肌肉和执行器。

晶体不像您想像的那样静止。例如，含有钯的有机金属化合物晶体一旦达到一定温度，便会从电炉上突然跳下。一个国际科学家团队，包括来自斯图加特马克斯·普朗克固态研究所的研究人员，现在已经发现了造成材料跳跃的力量。根据他们的发现，当温度在70到80摄氏度之间时，材料的结构会发生变化。首先，机械张力上升，然后迅速释放，以至材料跳入空气中。这种热盐效应可能会应用于人造肌肉和执行器。但是，在结构转变过程中产生的张力也会使晶体粉碎。总部位于斯图加特的研究人员在另一项研究中详细阐明了这种现象，该现象可提高化学反应的效率。

在寻找可以为人造肌肉提供动力的来源时，材料科学家经常会受到生物界的启发。那是因为植物特别是包含许多无生命的物质，这些物质会对外部刺激产生反应，例如随着湿度的升高而发生运动：松果和冰植物的种子囊（也称为无花果万寿菊）以这样的方式打开：分散，野生小麦的谷物采用相同的原理将自己钻入土壤。然而，某些晶体也可以用作不需要电源或燃料的微型机器和机器人的引擎。有机金属化合物（苯基偶氮苯基）六氟乙酰丙酮钯或简称PHA形成这种晶体。这些晶体在加热到70摄氏度以上时会跳跃，因此可以帮助弯曲人造肌肉。

由纽约大学，阿布扎比，马克斯·普朗克固体研究所和日本筑波的国立材料科学研究所的研究人员组成的团队现在能够阐明引发PHA热盐效应的原因。“深入了解其工作原理可能会帮助我们开发出适用于人造肌肉或执行器实际应用的材料，”马克斯·普朗克科学服务小组“ X射线衍射”负责人Robert E. Dinnebier说。固态科学研究所与纽约大学的PančeNaumov共同发起了PHA研究。

热盐效应导致晶体尺寸发生极大且极快的变化

在他们的研究过程中，研究人员发现了三种迄今未知的晶体形式，这种物质可以吸收这种晶体。除了已知的两种修改外，PHA还采用了这些新形式，并且还取决于温度。“ PHA因此创下了记录，”实质上代表马克斯·普朗克固态科学研究所参与实验的TomčeRunčevski说。“到目前为止，我们还不知道有任何其他有机金属化合物以如此多的不同结构呈现。”

热盐效应发生在称为和修饰的两个结α构γ之间。当PHA从一种结构转变为另一种结构时，大约在70和80摄氏度时，晶体在一个方向上急剧膨胀。这就是PHA可能再创纪录的地方：几乎没有其他分子组合会在长度如此不同的两个结构之间（至少在一个方向上）切换。在变质期间，晶体也基本上沿第二轴拉伸，而它们沿第三轴显着收缩。

但是，当在结构和结构之间切换时，PHA晶体的尺寸变化如此α之γ大，这一事实本身不足以使晶体在特定温度下从加热板上跳下来。就像运动员一样，他们只能通过爆发性的爆发来跳得特别高或跳得很高，决定性的因素是晶体的结构会以闪电般的速度发生变化。这正是PHA与PHA之间发生α的γ情况。如果该材料仍处于α70摄氏度左右的形式，即使实际上在那时感觉要舒适γ得多，机械张力也会开始增加。TomčeRunčevski说：“在达到某一点后，这种张力的释放速度比没有发生热盐效应的结构变化要快10,000倍。”

易碎的晶体，可实现高效的化学过程

但是，斯图加特的研究人员与包括西班牙拉里奥哈大学（La Rioja University）的迭戈·桑佩德罗（Diego Sampedro）在内的同事合作观察到，结构转变过程中晶体中产生的张力也会导致与跳跃产生极大不同的影响。在这种情况下，他们检查了一种叫做（Z）-4-（4-溴亚苄基）-2-甲基恶唑-5（4H）-one的物质，他们简称为Z-1。用紫外光照射化合物中的晶体时，Z-1分子会成对形成。在这种光化学反应中，材料的结构发生了实质性的变化，以致晶体简单地破碎成无数个较小的晶体。

TomčeRunčevski解释说：“例如，此类反应具有工业应用中化学过程的潜力，因为与大多数其他化学反应不同，它们仅在一个方向上发生。”使得这些反应如此合适的原因是，产品中无数的晶体不会重新键合而形成更大的前体晶体。因此，前体的反应完全像所需的物质。对于大多数其他反应，化学家必须接受损失或执行通常需要大量能量的复杂技巧，以确保过程不会中途停止。

来自斯图加特的研究人员还能够就晶体中的光化学反应阐明前体和产物的结构。对于前体而言，这没有问题，因为它以单一的固态晶体（也称为单晶）的形式存在。然而，为了能够检查粉末状产品中微晶的固有顺序，研究人员不得不设计一个技巧。就像他们在研究PHA的结构时所做的一样，他们应用了一种为此目的而精制的技术：X射线粉末衍射。

X射线粉末衍射揭示粉末样品的结构细节

虽然用于分析单晶的方法可以产生三维数据，但粉末衍射只能提供一维信息，因此很难重建晶体的三维结构。Robert Dinnebier说：“但是，我们能够对X射线粉末衍射过程中收集到的数据进行更好的评估，使我们现在还可以接收三维信息。”这使研究人员不仅可以研究包含微小晶体的样品，而且无法通过X射线衍射对其进行单独检查，而且还可以逐步跟踪结构转变。例如，在晶体Z-1的情况下，他们应用此方法来确定单个步骤发生的速度。

“这使我们能够观察到转型过程中的决定性步骤，” Robert Dinnebier解释说。这正是他和他的同事所要做的–不仅是关于在晶体Z-1中跳跃PHA或成对形成，而且还在于他们最近与其他同事一起进行光反应时：另一反应也导致了晶体跳。毕竟，只有材料科学家知道并了解结构转变过程中发生的关键步骤，他们才能够针对性地搜索不仅显示出所需效果而且还满足给定实际应用所需的其他条件的物质-无论是人造肌肉还是资源节约型化学反应。

出版物：

Manas K. Panda等人，“五态有机金属马氏体中的正负热膨胀和热凸变效应”，《自然通讯》第5期，文章编号：4811; doi：10.1038 /ncomms5811TomčeRunčevski等人，“遵循光致重建相变及其对晶体完整性的影响：粉末衍射和理论研究”，Angewandte Chemie国际版，第53卷，第26期，第6738–6742页，2014年6月23日； DOI：10.1002 / anie.201402515

图像：自然通讯2014