一项关于分子晶体的突破性研究成果近日发表于*Nature Materials*期刊。该研究首次报道了一种能够在低温甚至极低温环境下实现自主自修复的有机晶体，这一发现打破了传统自修复材料对温度的严重依赖，为开发适用于极端环境（如航空航天、深海和极地探索）的下一代智能材料开辟了全新路径。
一、 研究团队与发表信息 本研究由来自中国吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张洪宇教授团队，与阿布扎比纽约大学智能材料实验室的Panče Naumov教授团队等多个国际研究机构合作完成。研究成果以题为“Cryogenically self-healing organic crystals”（低温自修复有机晶体）的论文形式，于2025年12月5日在线发表于顶级学术期刊Nature Materials 2026年2月刊上。
二、 学术背景与研究目的 自修复能力是现代智能材料追求的关键特性之一，它赋予材料在受损后自主恢复其原有结构和功能的潜力，从而极大延长材料的使用寿命和可靠性。目前，广泛研究的自修复聚合物和凝胶等材料，其修复机制主要依赖于分子链的扩散或动态化学键的重组，这些过程均受温度影响显著。在低温（尤其是深低温）环境下，分子运动能力急剧下降，导致这些材料的自修复功能基本失效。与此同时，材料在低温下的脆性会增加，使得在极端寒冷条件下的设备（如太空探测器、极地科研站设施）更容易因微裂纹积累而失效。因此，开发能够在宽温域、特别是低温下有效自修复的新型材料，是材料科学领域一项紧迫且重大的挑战。
近年来，研究人员在有序的分子晶体中也发现了自修复现象，这为自修复材料的设计提供了新思路。然而，此前关于晶体自修复的研究大多集中在室温或高温区间，对于其在深低温环境下的行为知之甚少。本研究的核心目的，正是要探索和发现一种能够在从液氮温度（77 K）到高温（423 K）的宽达近350 K的范围内保持高效自修复能力的有机分子晶体，并深入揭示其独特的、不受温度主导的修复机制。这一研究旨在突破现有自修复材料的温度限制，为极端环境应用提供全新的材料解决方案。
三、 详细研究流程与方法 本研究遵循了从材料设计合成、性能表征到机理探索的完整链条，具体流程如下：
1. 材料设计与合成： 研究团队设计并合成了一种具有给体-π桥-受体-π桥-给体（D-π-A-π-D）结构的有机分子，命名为(2Z，2’Z)-2,2’-(1,4-亚苯基)双(3-(4-(二苯氨基)苯基)丙烯腈)，简称PBDPA。该分子以氰基取代的二苯乙烯苯作为强电子受体（A），两个三苯胺基团作为弱电子给体（D）。这种非对称的D-A结构使得分子具有显著的永久偶极矩。PBDPA通过一步法合成，并通过核磁共振氢谱/碳谱、质谱和单晶X射线衍射（SCXRD）确认了其化学结构和晶体结构。通过溶剂扩散法，成功获得了透明的橙色片状单晶。
2. 自修复行为的多尺度表征： 这是研究的核心实验部分，旨在全方位验证PBDPA晶体在不同条件下的修复能力。 * 光学显微镜实时观察： 研究人员在光学显微镜下，使用镊子对PBDPA晶体施加外力使其产生裂纹，随后撤去外力，实时观察裂纹的愈合过程。他们系统测试了从室温（298 K）、高温（423 K）到液氮温度（77 K）下的自修复行为。为了定量评估修复效果，他们还引入了“自主”与“非自主”修复的区分：当裂纹间隙较小时，撤力后裂纹可瞬间或逐渐（类似“拉链”机制）自主闭合；当裂纹间隙较大或界面严重错位时，则需要施加额外的纵向或横向压力（非自主干预）来促使界面接触以启动修复。 * 表面与内部结构分析： 为了确认修复不仅是表面现象，更延伸至晶体内部，研究采用了多种显微技术： * 扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）： 用于观察愈合后晶体表面的形貌。结果显示，完全愈合的区域表面光滑平整，与原始晶体表面无异，而部分愈合的区域则能看到细微的残留裂纹或台阶错位。 * 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）： 这是本研究中用于可视化内部修复的关键技术。研究人员对带有裂纹的晶体沿垂直（001）晶面的方向进行逐层扫描（层间距1.5微米），构建了三维荧光图像。结果显示，对于完全愈合的裂纹，在所有扫描层内部均未发现裂纹痕迹，确证了修复贯穿了整个晶体体相。 * 结构完整性验证： 使用偏光显微镜和微聚焦X射线衍射（μ-XRD）对愈合前后的晶体进行分析，证实愈合过程恢复了晶体原有的有序结构，并未诱发相变，说明是真正的“晶体-晶体”修复。
3. 自修复机理的深入探究： 为解释PBDPA晶体独特的、尤其是低温下依然有效的修复能力，研究团队进行了多层次的结构与理论分析。 * 晶体结构分析： 通过SCXRD解析了PBDPA的晶体结构。发现分子在晶体中沿[010]方向排列成柱状，相邻柱之间通过C-H…π和C-H…N等弱相互作用连接。关键发现是，分子在同一层内方向一致，而在相邻层之间呈反平行排列。这种反平行排列使得相邻分子层之间产生强烈的静电吸引力。 * 静电势与偶极矩分析： 通过理论计算绘制了分子的静电势图，显示氰基端为高负电势区（-1.79 eV），双键附近区域为高正电势区（+0.91 eV），证实了分子存在从氰基指向苯环中心的强偶极矩。相邻反平行排列的分子层之间，正负电势区域高度重叠，形成了有效的偶极-偶极相互作用。 * 表面电势测量： 利用开尔文探针力显微镜（KPFM）直接测量了裂纹两侧或断裂面的表面电势差。在（001）面不完全裂纹处测得约44 mV的势差，而在（010）面的完全断裂处测得了高达473 mV的势差。这为裂纹界面间存在静电驱动提供了直接实验证据。 * 理论计算模拟： 研究进行了势能面扫描和能量分解分析（EDA）。结果表明，虽然短程作用（如色散力）对稳定晶体结构有贡献，但长程的偶极-偶极相互作用是驱动裂纹界面重新靠近和分子重新排列的关键力量。这种静电相互作用的强度对温度不敏感，从而解释了为何在分子扩散几乎停止的77 K低温下，修复依然能够发生。
4. 功能化应用演示：光学传输与损耗恢复 为了展示自修复特性的实际应用价值，研究团队将PBDPA晶体作为光学波导材料，测试其受损前后及修复后的光学性能。 * 光学传输测试： 使用355 nm激光从晶体侧面激发，在晶体另一端收集输出信号。测量原始（pristine）、严重开裂（severely cracked）和愈合后（healed）三种状态下晶体的输出光强。结果显示，开裂后输出强度降至原始状态的34%，而经过修复后，强度恢复了99%。 * 光学损耗系数定量分析： 通过测量激光沿晶体不同位置激发时，端面输出光强（*I_tip*）与激发点光强（*I_body*）的比值随传输距离的衰减，计算了光学损耗系数（α）。原始晶体的α为0.156 dB/mm，严重开裂后急剧增至0.427 dB/mm，而愈合后则恢复至0.162 dB/mm，与原始值非常接近。这定量证明了PBDPA晶体不仅能修复宏观裂纹，还能几乎完全恢复其微观的光波导功能。
四、 主要研究结果及其逻辑关联 1. 宽温域自修复行为的确认： 光学显微镜观察是研究的起点，它直观且令人信服地证明了PBDPA晶体在77 K至423 K的极端温度范围内均能发生自修复。这一结果直接回应了研究背景中提出的低温自修复难题，是本研究最核心的发现。 2. 修复的彻底性与结构恢复： SEM/AFM和CLSM的结果构成了第二层证据链。它们不仅确认了修复的“真实性”（非表面粘合），而且证明了修复是从表面到体相的完整结构重建。μ-XRD结果进一步排除了相变等其他因素，明确了修复的本质是晶体结构的完美复原。这些结果将最初的宏观观察深化到了微观结构层面。 3. 偶极-偶相互作用主导机理的揭示： 晶体结构分析、静电势计算和KPFM测量共同指向了同一个机理：PBDPA分子强烈的固有偶极矩及其在晶体中的反平行排列，在裂纹界面之间产生了强大的、温度不敏感的静电吸引力。理论计算（势能面扫描和EDA）为此提供了能量层面的支持，区分了偶极作用与色散作用的不同角色。这一机理完美解释了为何传统依赖扩散的材料在低温失效，而PBDPA晶体却能“无视”温度进行修复。它构成了理解所有实验现象的理论基石。 4. 功能恢复的应用验证： 光学波导实验是研究的最后一步，也是将基础发现推向应用前景的关键环节。光学传输强度和损耗系数的定量恢复数据，强有力地证明了这种自修复不仅仅是形态上的“愈合”，更能实现关键物理功能的“复原”。这为材料的实际应用（如极端环境下的光学器件）提供了直接的可能性演示。
这四个层面的结果环环相扣：观察到的现象（结果1）需要通过深入表征来确认其本质（结果2），而现象背后的原因需要通过结构与理论分析来揭示（结果3），最终，基于对机理的理解，可以设计并验证其具体应用价值（结果4）。
五、 研究结论与价值 本研究的结论是：通过巧妙的分子设计（D-π-A-π-D结构）获得了一种名为PBDPA的有机分子晶体，该晶体利用分子固有偶极矩产生的、温度不敏感的偶极-偶极相互作用作为主要驱动力，实现了从深低温（77 K）到高温（423 K）的宽温域高效自修复。这种修复能彻底恢复晶体的结构和光学波导功能。
其科学价值在于：突破了自修复材料对温度的固有依赖，提出并验证了一种全新的、基于静态静电作用而非动态分子运动的自修复机制。这为动态晶体（Dynamic Crystals）和智能材料领域开辟了全新的研究方向，即利用分子的本征物理性质（如偶极矩、铁弹性等）来设计环境鲁棒性更强的自修复系统。
其应用价值显著：为在极端寒冷环境下运行的设备（如卫星光学部件、极地传感器、低温物理实验装置等）提供了研制“永生”或长寿命材料的全新思路。PBDPA晶体展示的自修复光学波导功能，是迈向开发能够耐受极端条件、自我修复损伤的高性能有机光电子器件的关键一步。
六、 研究亮点 1. 开创性的发现： 首次实现了有机晶体在液氮温度（77 K）下的自修复，将自修复材料的有效工作温域大幅拓宽了近350 K，这是里程碑式的进展。 2. 新颖的机理： 揭示了由偶极-偶极静电相互作用主导的、对温度不敏感的自修复新机制。这不同于以往绝大多数基于扩散或动态共价键的自修复原理，是对自修复科学理论的重要补充和革新。 3. 深入的机理验证： 研究采用了从宏观观察到微观表征（SEM， AFM， CLSM），从实验测量（KPFM）到理论计算（静电势， EDA， 势能面扫描）的多层次、多技术联用策略，对提出的机理进行了坚实且完整的论证。 4. 从性能到功能的演示： 不仅研究了材料的自修复行为，更进一步演示了其对核心物理功能（光学波导）的恢复能力，实现了从基础研究到潜在应用的有力衔接，提升了研究的完整性和影响力。
七、 其他有价值的内容 研究还详细讨论了自修复的动力学模式（“瞬时”与“渐进”修复），并将其与裂纹间隙的尺寸联系起来，提出了形象的“拉链”模型。此外，研究对比了PBDPA与其他已知自修复晶体在低温下的表现，凸显了其独特性。文中对“自主”与“非自主”修复模式的界定，也对未来量化评估材料的自修复能力提供了有益的框架。