理學院化學系教授楊吉水有機晶體展現高彈性與大幅度光機械伸長

一般被認為容易脆裂的有機分子晶體，在某些特殊分子結構與晶體堆疊情形下，卻可能具有彈性和塑性。當分子晶體受光或熱等刺激而表現出彎曲、扭曲、伸長等不同類型的機械形變而不斷裂時，便成為具有潛力的光機械力和熱機械力晶體材料。微觀來說，分子晶體在受到光或熱刺激後，分子結構產生變化，在原有的晶格中會產生機械扭力，當此扭力足以讓分子發生構形變化或空間重新排列，便可使晶體產生巨觀的形變。但以光機械力而言，由於外在光源照射下，晶體內部空間光反應並不均勻，且光反應可能誘導巨大結構變化，使晶體內部產生的機械扭力容易累積在局部，致使晶體碎裂解體。這種情形隨著晶體增大，晶體碎裂解體更易發生，以致無法成為光機械力晶體材料。

此研究透過一系列分子結構的修飾，創造出第一個能進行大幅度光機械伸長（21.6%或0.40毫米）卻不會碎裂的毫米等級的有機晶體。這與該晶體具有高彈性限度有關，亦即該晶體在外力之下，可彎曲成U字形，而在外力釋放後，回復原形。此外，在表現光機械伸長或彈性彎曲的同時，晶體的放光顏色也隨之改變，此結果於2023年2月發表於The Journal of American Chemical Society。

研究團隊透過與分子晶體X光結構的比較，將上述的機械性質歸因於晶體中分子堆疊上具有構形上的靈活性，且分子間有高度內聚性，使得晶體遭受外部或內部機械力時，能透過分子構形改變轉化成彈力，不會累積扭力而碎裂。因為該分子含有非平面性的五苯荑結構，此結果顯示彈性晶體或光化學塑性晶體材料不限於平面性的化合物。研究團隊目前正更深入研究五苯荑衍生物的分子晶體的刺激響應性質，期望對分子於固態環境中的結構變化與運動行為有更深入了解。

在此除感謝科技部/國科會的贊助，臺大研發處的Excellence Research Program Core Consortiums經費的支持。

研究成果全文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c13210