壓力警示——超彈性變色晶體

一種有機分子晶體,在剪力作用下,晶體產生變型並伴隨顏色紅移。移除壓力來源後,晶體彈回原來的形狀,顏色也恢復成綠色。

圖片來源:Nature Communications

文/鄭琳潔

試想若能看到房子的鋼筋和支架哪裡承受額外的壓力,對於建築及航太產業將是一大助力。因此,如何看見應力[1]一直是科學家感興趣的議題。然而,現階段的力致變色(mechanochromism)材料多半受限於只能使用一次,也就是材料變色後無法立即回復,必須更換或重新活化,降低了實用性。2020年四月,東京大學生產技術研究所及橫濱市立大學的研究團隊發現一種有機材料。受力時,晶體的螢光會由綠光轉為橘光。當應力被移除,晶體可以「彈」回原來的形狀,顏色也回復成綠色。結合超彈性(superelasticity)及力致變色兩種特性,科學家將這樣的材料稱之為「超彈性變色晶體(superelastochromic crystal)」。

●彈性?超彈性?

超彈性,或稱為偽彈性(pseudoelasticity)。雖然有彈性兩個字,但與橡膠等高分子材料展現出的彈性不同。後者的彈性來自於高分子長碳鏈的伸縮和扭曲。超彈性則原自材料在受力後,結構中原子或分子為了適應壓力而產生堆疊方向的改變,在特定的條件之下,結構的堆疊方向會回復,從而產生彈性。

超彈性的應用實例就是「形狀記憶合金」[2],因為牽涉到結構中不同堆積形式的相變,在承受比一般金屬還要大的應力而產生延伸變形後,記憶合金仍能回到最初的形狀。2014年時,科學家第一次發現除了特殊的合金及部分無機材料,有機分子的晶體也能展現超彈性。

●超彈性與變色的秘密

一切的關鍵在於有機分子7-chloro-2-(2'-hydroxyphenyl)imidazo[1,2-a]pyridine (7Cl)。7Cl的發光機制中有一特點:激發態時分子內的質子轉移 (ESIPT, excited state intramolecular proton transfer),生成對環境十分敏感的兩性離子型態。當7Cl堆疊的形式不同的時候,就可以放出不同波段的螢光。在實驗室中,科學家可成功得到兩種不同型態的7Cl晶體,一個可以放出綠色螢光(YG);一個則具有橘色螢光(YO)。

圖片來源:Nature Communications

在加熱條件下,兩種晶體並不會相互轉變;但受到剪力作用時,晶體受力變形的區域會改變顏色。有趣的是,YG受力後,變成YO的部分可以彈回原來的形狀並回復成YG。然而,YO一旦變成YG就無法再彈回YO。科學家認為,這種巧妙的變化說明7Cl分子在YG的狀態下相比於YO更加地穩定。也就是說,7Cl更傾向以YG晶體的堆疊方式。

圖片來源:Nature Communications

從微觀的角度來看,科學家發現當晶體受力時,7Cl分子產生了68°旋轉。7Cl分子的位置並沒有改變,僅僅是方向轉動,分子堆疊的方式結構內分子與分子間的苯環平面距離增大,苯環與苯環的π軌域重疊的部分也增加,放光因此由綠光轉為橘光。剪力是推動分子轉動的主要動力,當剪力消失時,分子又回歸相對穩定的堆疊形式,從巨觀上,我們就看到晶體變回綠色並彈回原來的形狀。

因為顏色變化是可以直接用肉眼觀察到的現象,加上自發回復的性質,研究團隊認為這樣的材料具有較高的應用彈性及發展成智慧材料的潛力。甚至在未來,利用精細的光譜分析,可以對應力提供精準的測量。

 

原始文獻:Mutai, T., Sasaki, T., Sakamoto, S. et al. A superelastochromic crystal. Nat Commun 11, 1824 (2020), doi: 10.1038/s41467-020-15663-5

相關報導:phys.org: MAY 1, 2020: Red light for stress: A color-changing organic crystal

註解:
[註1] 應力(stress)的定義為單位面積上承受的作用力,根據力的作用方向又能分為:正應力,作用力與受力表面垂直;剪應力,作用力與受力表面平行。
[註2]形狀記憶合金,是一種在溫度升高時能消除在低溫時產生的形變,恢復原本形狀的合金材料。

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