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近日，材料学院蔡伟照教授课题组在新型动态响应晶态材料领域取得重要进展。该研究以“Pressure-induced shape and color changes and mechanical-stimulation-driven reverse transition in a one-dimensional hybrid halide”为题，发表在国际知名期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上。电子科技大学为第一作者和通讯作者单位，材料学院蔡伟照教授和物理学院周柳江教授为文章共同通讯作者，2023级博士生张喋为论文第一作者，2022级博士生符博洋和2022级硕士生何未龙为论文共同第一作者，周柳江教授团队为本工作提供了理论计算支持，北京高压科学研究中心刘浩哲研究员团队在高压同步辐射X射线衍射测试方面提供了帮助。
动态响应行为是一些具有特殊结构特征的有机晶体和金属配合物在受到外部刺激时，其分子重构过程中微观扰动的放大而呈现出的机械响应。此种特性在设计开发极端环境下轻质致动器、传感器和柔性光电器件领域具有潜在的应用价值。
图1.外应力作用下(MV)BiBr5单晶的尺寸及颜色变化
该课题组的前期研究表明，压力可以引起分子晶体和配位聚合物中的分子排列和结构畸变，从而可有效调控其单晶尺寸和光学等物理性质（J. Phys. Chem. Lett.2023, 14, 16, 3891–3897;Phys. Chem. Chem. Phys., 2024,26, 1722-1728）。低维卤化物和这两类化合物类似，其有机基团和金属八面体之间也存在较强的氢键作用。因此，课题组提出引入具有孤立电子对活性的Bi3+离子和大尺寸平面型有机分子的策略，通过结构中有机分子排列方式和和Bi3+孤立电子对活性的变化以及较强的CH···Br氢键作用，首次在低维杂化卤化物（MV）BiBr5（MV =1,1'-二甲基-4,4'-联吡啶）中观察到显著的动态响应：在约2000个大气压（200 MPa）压力下观察到显著的单晶到单晶的转变，并伴有20%-30%的长度伸长以及颜色从红色到暗黄色的变化（图1）。出乎意料的是，这种相转变可以通过外部机械应力而不是通常的卸压方式来完全逆转。通过原位高压单晶结构分析发现，此单晶发生了中心对称-中心对称的转变，一半的MV2+阳离子的排列方式发生了从“躺卧“到“站立”的转变和Bi3+孤立电子对活性在高压下被激活，导致了此显著的不可逆变化（图1）。通过高压原位紫外-可见吸收光谱以及荧光光谱表征发现，此新合成的材料能隙增大0.27 eV，并且荧光峰发生约45nm的蓝移。和传统的钙钛矿材料不同，理论计算表明此晶体的能隙主要为有机分子MV2+和无机BiBr6八面体单元共同决定。这种低压下具有显著动态行为的卤化物材料为设计深海极端高压环境下柔性分子基器件提供了新的思路。
图2. (MV)BiBr5在不同温度和压力下的晶体结构
该研究得到了国家自然科学基金（12274062）和四川省自然科学基金（2022NSFSC0297）面上项目以及电子科技大学杰出人才启动经费等的资助。
蔡伟照，材料与能源学院教授，主要从事极端高压环境下晶态材料物性的基础前沿交叉研究。课题组目前主要以原位高压单晶X-射线衍射等技术为手段，从材料的微观结构出发，深入研究极端条件下结构和光电磁等物理性质的构效关系，阐述高压下奇异物理化学行为的机理，探索设计新型功能晶态材料。
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/weizhao_cai
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50961-2
编辑：罗莎 / 审核：李果 / 发布：陈伟
