吉林大學張紅雨團隊合作最新Nature子刊

常見的自修復機制依賴于化學實體在裂縫間的擴散以重建界面。由于擴散過程受溫度調控，低溫條件會阻礙自修復的發生。

2025年12月5日，吉林大學張紅雨和紐約大學阿布扎比分校Pan?e Naumov共同通訊在NatureMaterials在線發表題為“Cryogenically self-healing organic crystals”的研究論文。該研究報道了一種分子晶體，該晶體不僅能在常溫（298 K）和高溫（423 K）下實現自修復，還能在77 K的低溫條件下進行自主恢復。這一過程的效率取決于偶極-偶極交互作用，該作用是減小界面間距的主導機制。

對比光學透射率測量證實，修復后的晶體相對于開裂前的同一材料，其透明度恢復率約為99%。利用這種低溫自修復能力，作者設計了一種可自主修復的全有機晶體光學傳輸系統，該系統能夠因材料在損傷后的恢復能力而顯著降低光學損耗。這種材料，以及其他可能具有類似性質的材料，克服了高分子自修復介質在低溫條件下的天然局限，為開發能在極端條件下近乎無限期穩定運行的材料開辟了新的機遇。

材料的疲勞與機械損傷是實踐中不可避免的挑戰，尤其在溫度、壓力和輻射等極端環境因素下，其嚴重性會顯著加劇。低溫條件往往會嚴重損害材料的性能，導致脆性增加，并使其抗疲勞能力和機械損傷容限大幅下降。這些限制給航空航天、深海探測和極地研究等專業領域的設備與工程結構帶來了嚴峻的技術挑戰。應對這些挑戰，需要開發能夠在極端低溫條件下實現自主修復的材料。自修復是任何材料都期望具備的特性，它賦予材料在無需外部干預的情況下，自主從損傷中恢復并重建原始性能的能力。盡管這一現象已被認知一段時間，并在聚合物與凝膠中得到了較好理解，但自修復在分子晶體等結構有序材料中的實現卻是近年來的事。自修復可通過動態共價化學、相變、擴散、靜電作用、插層以及光化學反應等機制實現。這些機制基于不同的物理化學原理，彼此并不互斥，有時自修復過程會包含多種機制的組合。

低溫條件會顯著降低分子運動性與化學動力學速率，從而削弱自我修復的效果。這對實際應用尤為重要，因為低溫同時會增加材料的脆性并引發微觀結構變化，使得自主恢復能力對于防止器件失效至關重要。以往關于自修復材料的研究主要集中于常溫或高溫環境，而對低溫條件下自修復行為的研究仍然有限。此外，先前關于低溫自修復材料的工作大多局限于從常溫到低溫的狹窄溫度區間；缺乏對跨越低溫與高溫的寬溫度范圍內自修復性能的系統評估。在寬溫度范圍內實現穩定高效的自修復，對于材料在復雜服役環境中的實際應用至關重要，因此解決低溫自修復的挑戰并拓寬其工作溫度窗口具有迫切的現實意義。

不同溫度下PBDPA晶體的結構和自愈性（圖片源自NatureMaterials）

近年來，自修復能力與響應環境變化、選擇性傳感及自降解等能力一同，被納入了一類定義動態晶體的結晶材料家族的“智能”屬性清單中。動態晶體是一個新興的研究方向，致力于探索結構有序有機物的動態特性。自首例自修復有機晶體報道以來，該研究及其他開創性工作開辟了材料科學與晶體適應電子學的新方向，并催生了一個蓬勃發展的研究領域。鑒于當前對在低溫條件下功能化材料的追求，材料在低溫下的自修復能力仍有待探索，盡管該能力可極大拓展動態分子晶體在極端環境中的應用溫度范圍。

本文報道了一種在低溫（77 K）下表現出自修復能力，同時保持修復能力直至高溫（423 K）的晶體材料，其工作溫度范圍覆蓋近350 K。該材料是一種由具有給體-π-受體-π-給體（D-π-A-π-D） 結構的分子形成的分子晶體，其強電子接受片段為氰基取代的二苯乙烯基苯，兩個三苯胺基團作為弱電子給體部分。作者還展示了該材料的自修復特性及其對光傳輸的影響：在低溫條件下遭受機械損傷后，該材料能夠恢復其波導功能。這一成果僅是分子晶體所提供豐富機遇及其相對于結構無序材料優勢的一個例證，標志著為耐受寒冷環境而設計的智能材料發展范式的重要轉變。

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02411-7