[发明专利]单分散性的激光响应光致移动的一维有机半导体微米带及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机半导体微米器件材料，特别涉及微观尺度具有光能转化为机械能，从而实现对外做功的单分散性的激光响应光致移动的一维有机半导体微米带及其制备方法和应用。 

背景技术

在生物体系中，存在一种蛋白可将化学能或是细胞膜内外不同的电化学梯度转化为机械能从而实现细胞内物质转运或是整个细胞的运动。受到这种生物体内蛋白马达的启发，如何实现通过人工合成的方法制造各种机械能转化器件，实现将其它形式的能量如光能、电能、热能或化学能转化为能够实现做功的机械能是十分吸引人而且极富有挑战性的问题。 

通过有机合成的方法制造出不同形式的分子马达实现将其它形式的能量转化为可以实现做功的机械能相比于其它无机或金属机械动力材料具有很多的优势。 

首先，相比于无机或金属机械动力器件，通过有机合成的方法合成出的机械动力器件具有结构和性质可控性高以及功能多样性高的优势。可以通过取代基的添加与修饰有目的地改变有机单体结构，可以精准的调控分子的物理和化学性质。随着有机超分子化学的发展，通过更改有机构筑单元的结构可以进一步改变整个聚集体的排列方式，从而为制造出不同形式的功能性机械材料提供了更加广阔的前景。 

另外，相比于无机或是金属机械器件，人工合成的有机机械动力材料在尺度上有着无机材料无法比拟的优势。有机分子的大小通常为几个埃到几个纳米的尺度，这种尺度的无机或金属机械材料在现今工业加工方面是无法实现的。因此在微纳米级的微观世界中，功能化的有机机械动力材料有着广泛的应用价值。比如生物体内想要实现物质的运输，药物分子想要实现定向的靶细胞输运都可以通过有机机械动力材料实现。 

相比于其它通过化学能或电能转化为机械能的有机机械动力材料，光致机械动力材料有着很大的优势。第一，光能可以认为是源源不绝而且绿色环保的能量源泉，通过光能转化为机械能从而实现做功对于环境保护方面有着极其重要的影响；相比于通过传统化学能转化为机械能如煤炭的燃烧，石油的燃烧，有机光致机械动力材料不存在能源枯竭这一巨大的问题而且没有二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等各种导致环境问题的有害副产物的生成。第二，相比于电能受到电力存储极限的制约，需要极高的成本才能够以实现长期持续的供给；而且电能在很大程度上不是直接能源，需要消耗各种包括传统化学能在内的各种其它能源转换获得。第三，相比于其它类型的能源，光能有着易于控制的优势，光传播速度极快且传播距离很远，因此可以通过光能实现远超于其它形式的远程控制；光强与光路的易于调节可以降低通过改变光性质实现控制做功方式的成本。激光的出现更是让光可以聚集到某一微小区域，在微观尺度上可以实现微纳米级别的控制，在宏观尺度上更是因为激光的单向性使得通过光控制机械动力材料的范围大大提高。 

时至今日，通过光能转化为机械能的材料必须经过分子构型的改变。实现这种分子构型的改变通常分为以下几类。第一类是通过化学反应改变分子顺－反构型从而实现分子构型改变达到整体材料的构型改变，如偶氮类化合物。第二类是通过化学开环、闭环改变分子构型改变使得整个材料发生形变；这类分子的代表包括俘精酸酐类、三苯代甲烷类、螺吡喃类等。然而这类分子都存在一个光致形变极限值即全部发生化学反应后可能导致的最大形变值。第三类是通过化学反应完成一个循环，荷兰科学家Ben L.Feringa通过位阻很大的对称二苯代乙烯通过绕碳碳双键单向完成360度旋转循环的有机单分子马达实现了一种可持续的循环做功材料。然而由于中间需要一段热力学上稳定的分子重排导致这种材料需要不断切换光源才能完成一次循环。同一课题组研发的第二代有机单分子马达通过改变双键周围取代基的环境降低了热力学一步分子重排的能垒从而实现了室温下分子重排的进行。之后，该课题组通过进一步将有机单分子马达固定在液晶表面下部形成双层结构，通过单分子马达扰动液晶从而实现对外进行做功。至此，他们实现了在微纳米尺度的有机单分子机械马达的构建并实现了微纳米尺度做功的目的。这是世界上第一例脱离溶液并能在微纳米尺度进行旋转做功的有机光致动力材料。然而，这种通过转动对外做功的行为必须通过一种介质才能对外进行做功。因此，随着超分子化学的蓬勃发展，如何将大量的有机光致单分子马达协同起来，在空气中实现对外做功具有重大的实际应用意义。 

如何实现有机聚集体微纳米尺度的光致机械材料，需要克服几个重要的难点。