最近，日本名古屋大學的科學家們開發出一種新方法，它能以一種可預測的方式制造刺激響應型材料, 這項研究的成果最近發表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊。

他們使用這種方法設計出一種新材料：碳納米環與碘的混合物。它可以導電而且在通電時能發出白光。這種新方案可以制造出一些列可靠的刺激響應型材料，它們可以應用于存儲器件、人造肌肉和給藥系統等領域。

背景

刺激響應型材料是指在外部環境因素刺激下，自身的物理和化學特性發生相應變化的材料。這些刺激因素包括：光致輻射、熱量、壓力和電流。有鑒于此，刺激響應型材料可廣泛應用于光盤、計算機存儲器件和顯示器件、人造肌肉和給藥系統等眾多領域。

科學人員一直都致力于以一種可預測的方式，開發新型刺激響應型材料。然而，設計和控制這些材料復雜的分子排列，是一項極其困難的工作。

創新

最近，來自日本名古屋大學 JST-ERATO Itami 分子納米碳項目和轉化生物分子研究所（ITbM）的團隊聯合開發出一種簡單且可靠的方法，它可用于合成刺激響應型材料。

技術

這種“響應型多孔主體”（responsive porous host）方法采用具有多孔框架的分子與“客體”分子綁定。這些客體分子很可能對外界刺激作出響應（如圖[1]a所示）。

在這個案例中，團隊發現了[10]cycloparaphenylene（[10]CPP），一種碳氫化合物分子，由10個相互連接苯環組成。它是連接碘(I) 的理想主體。碘置身于多孔碳環內，并且響應電刺激。

這樣不僅能夠導電，而且也可以激發白光，這一點非同尋常。特別是許多其他部件需要獲取白光。這種新材料[10]CPP-I，可用于下一代照明系統。

下圖為電刺激響應型材料的新合成方案。a）利用多孔固體材料開發電刺激響應型材料的方法。b）電刺激引發[n]CPP-I 導電和發出白色熒光。

合成這種材料的方法出人意料的簡單。研究人員將碳納米環（CPP）和碘混合在一起，再讓它變干。然后，他們再用X射線結晶學確認，在對齊的納米環中的空心內，碘分子排成一行（見下圖）。

團隊通過改變碳納米環的數量，嘗試了這種混合物的幾種變化，最終發現10個環導致的碘原子運動最有活力，并且對于外部環境變化最敏感。

當直接將電流施加于[10]CPP-I，樣本的體積電阻率降低約380倍，這表明它是導電的，而不是阻礙電流通過。具有9個或者12個納米環的混合物中的體積電阻率并沒有降低多少，如下圖。這些研究結果表明納米環的孔徑控制了其對于電刺激的反應。

JST-ERATO 項目的博士后研究員 Noriaki Ozaki 博士稱：“這項研究最具困難性的部分之一，就是研究由于電刺激帶來的[10]CPP-I導電性。盡管我們只花了三個月時間合成分子，以及探索其電刺激響應特性，但是卻又花了一年時間探索其特性的起源。”

最終，團隊利用X射線吸收近邊光譜（XANES）、拉曼光譜以及熒光光譜，搞清楚了[10]CPP-I 在電刺激下是如何導電的。這些分析顯示碳納米環中的碘原子，當受到電刺激時，會形成延伸的多碘化合物鏈，從而使得材料具有導電性。

研究人員也發現，電刺激可以改變 [10]CPP-I 的光致發光顏色，從綠-藍色變成白色。白色光線說明[10]CPP-I 的熒光光譜覆蓋了整個可見光范圍。

頻譜展寬歸因于CPP的電子結構的不規則分布，這種不規則分布又是由于多碘化合物鏈的形成而引起的，如下圖所示。[10]CPP-I 的白色光線是單個分子組裝成的白色照明材料的一個罕見的例子；白光發射通常要通過混合不同顏色的幾種材料來共同完成。

價值

JST-ERATO 項目的團隊領導 Hirotoshi Sakamoto 博士說：“這種‘響應型多孔主體’有望適用于不同刺激，例如光致輻射、熱應用和pH 值改變。它為以一種可靠和可預測的方式開發刺激響應型材料，開拓了一條通向新型通用策略的途徑。”

JST-ERATO 項目主管和 ITbM 中心總監 Kenichiro Itami 教授稱：“我們對于開發出這種簡單而強大的方法，完成外部刺激響應型材料的合成，感到非常興奮。”