谱写多稳态材料新篇章

肖延胜

高密度便携化的多稳态材料应运而生。相对于传统的双稳态材料，多稳态材料能够使计算机的存储及功能性质得到质的飞跃。除此之外，多稳态分子材料还广泛地应用于分子开关、传感和催化等领域。中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究所的黄有桂博士致力于多稳态分子材料的研究。19992008年，8年的无机化学学习与研究生涯为黄有桂日后的多稳态分子材料的研究奠定了坚实的理论基础。量变引起质变，厚积而薄发，自2009年开始，黄有桂先后前往美国与日本进行有关多稳态分子材料的研究，并取得一定的成果。

细节决定成败

通过化学方法设计、合成多稳态分子，再利用外界环境刺激和温度的变化实现此类分子不同稳态之间的相互转化，经此途径黄有桂研究分子在不同状态下的物理、化学性质差异，并利用这一相互转化过程进行物理、化学环境的检查，并催化一些重要的化学反应。

黄有桂主要通过外部环境调控MOFs的自旋状态或化合价态，利用实验研究利用外场诱导MOF中金属中心的自由翻转。自旋翻转（spin-flop）是一种重要的磁现象，其在磁性导体中可诱发巨磁阻效应，然而对于spin-flop磁性材料的设计难以实现。化学材料实验非常注重细节的处理，这需要研究人员有极强的耐心和扎实的知识理论基础。在实验过程中，黄有桂也曾遇到难题，也曾陷入困境，在这一个时候，他往往会走到实验室的一个角落，闭上眼睛沉思，仔细回想实验过程，寻求新的思路，找出问题所在。黄有桂自己解释道：“其实，我只是让自己放松平静下来，因为只有心态平和才能捋清思路，才会找到细节上的问题，继续完成实验。”功夫不负有心人，黄有桂经过大量的实验，利用反铁磁链自旋中心存在相互竞争的反铁磁耦合作用的特点，设计了一个基于无机链的多孔MOF，通过改变外场，在H=5kOe附近成功实现了链内的自旋翻转。

有了这样重要的实验成果，更加增强了黄有桂对多稳态分子研究的信心。他以上述成果为基础，作为以上工作的延伸，致力于通过外界刺激改变金属中心的化合价态，从而改变MOFs的晶体结构。他设计了一个柔性金属

有机单股螺旋纳米管阵列，利用螺旋纳米管的柔性和金属中，OCu+易被氧化的特点，通过把Cu+氧化为Cu2+，拉长金属中心与配体之间的配位键，从而实现了手性碳纳米管尺寸的显著扩大，弥补了手性碳纳米管在可调控性方面的不足。欲要看究竟，处处细留心。正是通过他对细节的关注与处理，黄有桂成功地利用外部环境调控了MOFs的自旋状态和化合价态，这对于多稳态分子材料的发展是一次进步，对于黄有桂个人也是一次值得回味的成长。

凭借多年的实践经验，黄有桂有了进一步的思考：温度对于切换多稳态超分子框架（SOFs）的晶体形貌与性质，有什么帮助呢？他设计了一个超热弹性孔道形状记忆的超分子框架，将热处理与客体吸附脱附相结合，实现了同一材料内不同空孔道形状和不同吸附性能之间的切换，其正交相不吸附N2而四方相可显著吸附N2。这种孔道形状记忆的超分子框架有助于解决柔性多孔材料的吸附性能缺乏可调控性的弊端。超分子框架孔道形状记忆过程是基于框架本身固有的柔性实现的，整个框架变形过程由框架各个部分之间的协同作用控制，没有氢键的断裂和形成。这促使黄有桂思考，是否可以通过SOF内某个动态分子的局部运动带动整个框架的变形，从而使动态分子起到化学运输的功能。面对这一课题，黄有桂基于羧基在不同强度的碱的影响下可以脱质子或接受质子这一特点，将一动态的分子通过氢键引入到羧酸体系中，通过热致分子运动调节动态分子的pKa值，从而首次在单品中实现了质子的远程传输，并且质子转移前后，单晶的形状发生了肉眼可观察到的显著变化。此项研究首次实现了通过长程质子转移调控分子材料的机械性能，为“在人工材料里复制生物功能的目标”做了进一步的探索。此项工作发表后，Nat.Nanotechnolog标题对该工作进行了亮点报道。

在研究了多稳态MOFs、SOFs后，黄有桂将研究拓展到双稳态有机染料分子领域，他与丰田汽车公司合作，致力于开发出一种基于有机染料分子的复合薄膜，像pH試纸检测pH值一样，通过薄膜颜色的变化可肉眼识别出汽油中是否有甲醇。理论与实践的结合使黄有桂的科研成果得到了最大价值的发挥。

归来仍少年

带着多年来在多稳态分子研究领域的经验，黄有桂回到了祖国的怀抱。回国后，黄有桂任职于中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究所，致力于拓展和深入对多稳态分子材料的研究，将研究范围拓展到单分子稀土化合物领域。目前，他已经组建了一个7人的小型科研队伍，并在课题方向上取得了一些初步的结果。他与团队一起利用超分子化学的手段，利用抗衡阴离子的模板效应，将一个柔性阳离子折叠，得到了一系列X射线照射变色的分子材料；探索设计了一个光氧化还原反应，发现其可能催化某些重要的化学反应；设计了一个晶态分子材料，初步研究结果表明，其可能表现出热诱导的手性消失现象。黄有桂与其团队的努力，一定会为中国多稳态材料领域带来新的惊喜。