固体晶体中分子齿轮运动的温度控制、可逆移动为材料设计开辟了新的可能性。
齿轮是日常机器的重要组成部分。像汽车一样的换档能力可以控制运动的程度或方向，使机器更加通用。现在，由北海道大学化学反应设计与发现研究所(WPI-ICReDD)的研究人员领导的团队报告了一种在晶体中实现分子尺寸齿轮的新设计策略，以及在固体中可控分子齿轮移动的第一个例子材料。他们开发了一种晶体材料，其中含有齿轮状分子，可以在两种运动类型之间可逆地转换。该设计原理为多功能新材料的开发提供了蓝图。
研究人员利用了一种名为三芳基三嗪的齿轮状分子，它有一个中心三嗪环，上面连接着三个亚苯基环，其作用就像齿轮的齿。通过将庞大的固定分子附着在亚苯基环上，研究人员诱导出一种“离合器堆叠”排列，其中相邻的三芳基三嗪分子彼此旋转 60°，而不是以相同方向堆叠。
“离合器组的设计灵感来自汽车离合器的机械机械系统，”副教授 Mingoo Jin 说。
附着的固定分子还为三个亚苯基环在拍打运动中在两个位置之间旋转创造了足够的空间。当亚苯环旋转时，三芳基三嗪分子的离合器堆叠排列使得相邻分子能够相互钩住，就像互锁齿轮一样。这导致了堆栈中所有分子的相关运动。
当温度升高到某个阈值以上时，会观察到不同的相关运动，其中亚苯基环发生 180° 旋转。这种运动的变化归因于晶体中的相变，它在相邻分子之间产生了更多的空间，从而为亚苯基环提供了更多的旋转空间。
研究人员发现，这种运动变化可以通过冷却晶体来逆转，这标志着首次在固体中观察到这种可控分子运动。分子变速的效果可以通过调整附着在齿轮分子上的固定分子的尺寸和结构来微调。这种可调节性为开发利用晶体分子机器的新型功能材料打开了大门。
“我们研究的下一个方向是利用晶体中的齿轮分子运动来操纵固态材料的不同物理特性，例如光发射或热行为”，Jin 评论道。
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