近期，吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室Hongyu Zhang、纽约大学Abu Dhabi校区Panče Naumov等团队在《Nature Materials》发表研究：“Cryogenically self-healing organic crystals”（DOI：10.1038/s41563-025-02411-7）。研究团队针对传统自修复材料在低温下分子流动性降低、难以实现自主修复的问题，创新提出基于偶极-偶极相互作用的分子晶体设计策略，开发出可低温自修复的有机晶体（PBDPA）。该晶体以氰基取代二苯乙烯基苯为电子受体、三苯胺为电子给体，形成D-π-A-π-D结构，分子呈反平行排列形成强偶极作用。其在77 K（液氮温度）至423 K宽温域内可自主修复，愈合后透光率达99%，光学损耗系数恢复至0.162 dB·mm⁻¹，接近原始晶体水平，为极端环境下光学器件、柔性电子等领域提供新方案。
常见的自我修复机制依赖于化学实体穿过裂缝的扩散来重建界面。由于扩散是温度控制的，低温条件是禁止自我愈合。在这里，我们报告了一个分子晶体，在环境温度和高温愈合（298和423 K），但也能够在77 K下自主恢复。偶极相互作用作为减少界面之间分离的主要机制。比较光学透射测量证实，相对于开裂前的相同材料，愈合的晶体约为99%透明。这种低温自愈合能力用于设计自主修复的全有机，这种材料和其他类似材料克服了大分子自修复介质在低温下的自然限制，为开发在极端条件下几乎可以无限期工作的材料提供了机会。
图1:不同温度下PBDPA晶体的结构和自愈合。a，PBDPA的化学结构。B，日光和紫外光下晶体的照片。c，显示在298 K下脆性断裂和完全碎裂以及附着后缺乏自愈合的草图。d，e，显示在298 K下去除力后出现部分愈合的裂纹的草图（d）和光学显微照片（e）。f，g，草图（f）和光学显微照片（g）显示严重破裂的PBDPA晶体在298 K. h. i的纵向力下经历自愈合，草图（h）和光学显微照片（i）显示严重破裂的PBDPA晶体经历自-在298 K下在横向力下愈合。图i中的中央图像描绘了用于按压晶体的物体。j，k，在423 K（j）和77 K（k）下，在力撤回时经历自主自愈合的破裂的PBDPA晶体。在k中，标记为1、2、4、5和6的裂纹完全愈合，而裂纹3仅部分愈合。比例尺，0.5 mm。
PBDPA在77 K至423 K的温度范围内的显著自修复能力是智能材料能力的突破，特别是鉴于软材料恢复能力有限以及它们在低温条件下冻结和变脆的倾向。可用于偶极-偶极相互作用，可促进自愈。与聚合物不同，温度对PBDPA的结构完整性和长程有序性的影响最小。通过将PBDPA的自愈能力整合到其有利的透射特性中，我们成功地恢复了该材料的光波导功能，这可能对极端环境下使用的光通信、光子器件和光学系统的高性能材料产生深远的影响。通过解决与低温下劣化相关的关键挑战之一，这项工作为开发下一代材料奠定了坚实的基础，这些材料设计用于在恶劣和苛刻的环境中工作。
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