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形状变化的有机晶体利用记忆来改善塑料电子学

来自 聚塑网 2018-02-08
聚塑网讯:研究人员已经发现了一种机制,可以触发塑料电子器件中有机晶体中的形状记忆现象。变形的结构材料是用金属合金制成的,但新一代的经济型可印刷塑料电子产品也将从这种现象中获益。形状记忆材料科学与塑料电子技术融合后,将为低功耗电子、医疗电子器件和多功能形状记忆材料的发展打开大门。
 
研究结果发表在《自然通讯》杂志上确,并认了两种有机半导体材料中的形状记忆现象。

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像打开和疏通阻塞人类血管的可膨胀支架,这样的设备使用了形状记忆技术。热量、光和电信号或机械力将信息传递给设备,告诉它们展开、收缩、弯曲和变形,使之恢复到原来的形式——并且可以反复地这样做,就像一条蛇想吞下它的晚餐。这种效应在金属中效果很好,但由于制造它们的分子的复杂性,在合成有机材料中仍然难以捉摸。
 
“形状记忆现象在自然界中很普遍,但我们并不真正确定自然界在分子水平上的设计规则。”化学和生物分子工程学教授、该研究的合著者Ying Diao说,“大自然使用的有机化合物与当今市场上用于形状记忆材料的金属合金截然不同。”Diao说,“在自然发生的形状记忆材料中,分子协同变换,这意味着它们在形状改变时都会一起移动。否则,这些材料就会粉碎,形状的变化将是不可逆的,而且是超快的。”
 
Diao说,合成有机材料中形状记忆机制的发现是偶然的。研究小组意外地制造出了巨大的有机晶体,并很想知道它们是如何在加热的情况下发生转变的。

 
“我们在显微镜下观察了单个晶体,发现这种转变过程与我们的预期有很大的不同。”研究生兼合著者Hyunjoong Chung说,“我们看到整个分子层在晶体中的一致运动,这些分子似乎驱动了形状记忆效应——这种效应在有机晶体中很少被观察到,因此在很大程度上还未被探索。”
 
研究人员说,这一意外的发现使研究小组希望探索形状记忆材料科学与有机电子学领域的融合。“今天的电子产品依赖晶体管开关,这是一个非常耗能的过程。”Diao说,“如果我们能在塑料半导体中利用形状记忆效应,以一种合作的方式调整电子特性,那将需要非常低的能量投入,从而可能有助于在低功耗和更高效的电子技术方面取得进展。”
 
该团队目前正在利用热量来演示形状记忆效应,但正在正在尝试用光波、电场和机械力来进行实验。他们还在通过调整材料的分子结构来探索形状记忆机制的分子起源。“我们已经发现,只要改变分子中的一个原子就可以显著改变这种现象。”Chung说。
 
Diao说,研究人员对这一研究发现的分子协同效应非常感兴趣,并对最近获得诺贝尔奖的分子机器的概念提出了潜在的应用。“这些分子可以在分子水平上协同改变构象,而小分子结构的变化会在数百万个分子上放大,从而在宏观尺度上启动大运动。”
 
Diao的小组与比利时布鲁塞勒大学的Yves Geerts教授以及比利时蒙斯大学的David Beljonne和Jerome Cornil教授进行了合作。
 
伊利诺伊大学、比利时国家科学研究基金、Wiener-Anspach基金会、Leverhulme Trust和Isaac Newton Trust都支持这项研究。
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