通过双重调控策略精确合成π-共轭[3]连环和所罗门结以实现光热响应

为什么打结分子很重要

化学家正在学会将分子系成微小的结和链条，这并非为了装饰，而是为了赋予材料新的功能。本研究展示了如何将环状分子精确互锁，使其以惊人的效率将近红外光转换为热量。此类光驱动的加热对未来技术至关重要，从医学疗法与智能涂层到太阳能蒸汽发生器等领域均有应用潜力。

设计一系列互锁环

研究人员从一根单一、较直的分子“杆”出发，该分子天然倾向于像扁平扑克牌一样与相邻分子层叠。他们将这根杆与金属基单元结合，这些单元充当刚性铰链。通过略微改变这些铰链的尺寸、平面性和扭转，研究者引导杆状分子编织成三种不同的互锁环体系：线性三环链、三者相互依存的精巧“博罗米环”，以及更复杂的双环“所罗门结”，其中每个环两次穿过另一个环。通过这种精心设计，团队得以在不更换核心分子的情况下改变整体构型。

从细微调整到重大结构变化

关键在于双重调控。首先，团队调整含金属铰链的伸展程度和平面性，这决定了它们与杆状分子中心部分的层叠强度。较短、层叠弱的铰链促使杆状分子彼此堆叠，形成线性三环链。较长、连接更强的铰链则改变了层叠方式，使杆与铰链相互锁定，形成更紧凑的博罗米环。其次，通过向一种设计中加入银离子，他们在铰链中引入了可控的扭转，使刚性杆能够相互缠绕并闭合成所罗门结。在所有情况下，最终的形状都通过高精度的结构方法得到确认，包括单晶X射线研究和溶液态核磁共振测定。

将光转化为热

除了制造优美的分子难题外，团队还提出了一个实际问题：这些不同构型将光转换为热的能力如何？他们对固态和溶液中的材料照射近红外激光，并记录温度变化。所有互锁结构都会升温，但由最长、层叠最强的铰链构成的博罗米环尤为突出。该结构在溶液中从室温升高到超过60摄氏度，并且其将吸收光转换为热的效率约达到四分之三到五分之四。重复的加热-冷却循环显示结构保持完整且性能稳定，突显其稳健性。

层叠与自由基如何增强加热

为了解为何某些构型更能高效加热，科学家们考察了两个关键特征。分子平面部分之间强烈的面对面层叠有助于它们更有效地吸收近红外光，并将能量转为分子运动而非发光。此外，含金属的铰链可以具备“自由基”特性——未配对电子对光的响应很强。照射前后进行的电子自旋测量显示信号强度明显增加，尤其是在表现最好的博罗米环中，这表明激发电子大量产生并迅速弛豫，将能量以热的形式释放。

对未来材料的意义

通过展示对构建单元的尺寸、平面性和扭转进行微调即可同时切换分子形状和光热性能，这项工作为下一代光热材料提供了设计处方。核心信息是：拓扑构型——部件在空间中的连接方式——与化学成分同样重要。采用这一策略，化学家可以有目的地将分子“系”成那些能提供最强光吸收、最有效层叠和最敏感电子响应的形状，为制备能够按需将无害的近红外光转换为可控热量的紧凑耐用材料铺平道路。

引用: Yang, JX., Wan, XQ., Lu, MY. et al. Precise synthesis of π-conjugated [3]catenanes and Solomon link for photothermal responses via a dual-tuning strategy. Nat Commun 17, 2733 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69503-z

关键词: 超分子拓扑, 互锁分子, 光热转换, 近红外加热, 分子环与连接