北京大学化学学院宛新华/张洁团队实现扭转晶体的光驱滚动和手性偏向

运动是物质的基本属性与存在方式。在漫长的自然演化过程中，各类生物为适应环境挑战，发展出多种高效、精巧的运动策略。其中，实现快速、精准且可控的定向运动是重要方向。滚动作为一种自然界进化形成的优势运动模式，能使风滚草、金轮蜘蛛等生物高效穿越复杂地形，展现出独特的适应智慧。受此启发，北京大学化学与分子工程学院宛新华/张洁团队将“滚动”机制引入分子晶体的运动中，形成了一种概念上新颖的晶体运动新模式。相关研究工作以“Helicity-Biased Light-Driven Rolling of Twisted Crystals”为题发表在Journal of the American Chemical Society上（J.Am.Chem.Soc. 2026,148,11857—11870）。化学学院在站博士后陈艺夫博士为论文的第一作者，宛新华为该论文的通讯作者。

9-氰基蒽分子晶体在光驱动下的三种运动模式

在分子晶体中实现兼具长程位移与方向可控的动态运动，一直是该领域的重要挑战。此前，宛新华领导的研究团队提出“手性控制运动”的思想，并成功实现了由分子手性控制的晶体定向跳跃（J. Am.Chem.Soc.2024,146,9679—9687）。近日，该研究团队在这一方向上再次取得突破，实现了9-氰基蒽扭转单晶在紫外光驱动下持续的定向滚动，这一行为体现了结构不对称性与光驱动响应相结合的新型运动机制。研究表明，直晶体在光照下因光致[4+4]环加成反应引起局部晶格膨胀，发生有限弯曲；而将晶体扭转成螺旋形貌后，它们则能够朝着光源方向快速、持续地滚动。系统实验与理论分析揭示，滚动由光诱导下的瞬时质心偏移驱动。质心偏移打破了重力作用线与支持力作用线的共线平衡，进而产生转动力矩，赋予了扭转晶体持续滚动的动力。此外，滚动速度可通过光强、入射角度等外部条件，以及晶体长度、宽度和螺旋螺距等内部结构参数进行有效调控。在自由平面上，扭转晶体的螺旋手性不影响滚动速度；但当引入线性约束时，滚动轨迹则呈现出明确的手性偏向性。在向光滚动时，左旋的扭转晶体向右偏转，右旋的扭转晶体则向左偏转。这种手性偏向运动来源于滚动过程中接触力的不对称分布，揭示了接触力学在将结构手性转化为定向运动中的关键作用。

该研究展示了如何协同利用结构手性与光响应性来实现对运动的定向控制。相关发现为发展基于分子晶体的智能材料系统，尤其是具有可编程运动模态的新一代智能材料，提供了重要的理论与实验基础。

该工作得到了国家自然科学基金（22405011，52333008，92356305）的资助。北京大学博雅博士后项目、北京分子科学国家研究中心BMS Junior Fellow项目和博士后科研业绩评估考核资助（一档，YJA20250002）同时提供支持。