熱致晶體的特征是由熱誘導引起的固態到固態的直接相轉變，并伴隨著各向異性晶格擴展引起晶體突然的跳躍、彎曲、變形或是旋轉等機械響應。它們屬于一類動態晶體，可對熱、光或壓力等外部刺激作出響應，并伴有電、光、磁、機械等各種特性的開關效應。有機晶體因其易碎性難以適應晶體形狀和尺寸較大的各向異性變化，強烈的形變通常導致其自身破裂、分裂甚至爆裂等結構的破壞。因此，設計一種能夠在外界刺激下可逆地改變形狀的機械響應分子晶體，對于設計用于軟體機器人、人造肌肉和微流控裝置的驅動器至關重要。
最近，南開大學徐加良研究員課題組與荷蘭拉徳堡德大學（Radboud University）分子與材料研究所Theo Rasing教授團隊合作，報道了一種新型的基于有機分子晶體的魯棒熱彈性微驅動器。他們設計合成了一種新型的芴酮衍生物（4-DBpFO），其分子由芴酮中心在2、7位兩邊分別以單鍵連接兩個聯苯單元構成，這一獨特結構具有很大的自由度，在加熱時其小的剛性平面可以繞單鍵旋轉，從而發生固體到固體的直接相變。
圖1. 4-DBpFO的α-相與β-相的晶體結構與形態
該晶體在(010)晶面上表現出一種很強的可逆剪切形變，這種轉變被證實是由分子中微小的構象變化所引起的。當這些變化在晶體中傳播，導致晶體形狀的宏觀變化，由于偽對稱，原則上這種相變可在同一晶體的兩個方向上發生，通過兩條不同的路徑進行相變，最終得到相同的鏡像方向的晶體形狀。形變沿著兩個正交的晶體面進行，具有良好的可逆性，在超過100個周期的溫度誘導的結構相變過程中沒有可見的磨損，證明4-DBpFO作為熱致材料具有優異的扛疲勞性。
圖2. 相變過程中形狀形變的兩個方向
值得關注的是，這些微小晶體的直接相轉化產生了極大的機械能。研究人員甚至用它來移動質量是其一萬倍的玻璃珠。他們將晶體固定在基板的一側，通過精確的控溫使晶體(200 × 200 ×50 μm)發生形變相轉化，對玻璃珠子進行強烈“踢擊”，使得珠子以大于6.5×10-11J的動能移動。在此過程中，產生的工作密度（單位體積或材料質量的輸出機械能）超過270 J· kg-1，比大多數典型的MEMS（微機電系統）或最近發現的自主執行器的性能大兩個數量級之多。
圖4. 由晶體形變引起的玻璃珠位移
這一研究成果最近以“Robust thermoelastic microactuator based on an organic molecular crystal”發表于Nature Communications。南開大學徐加良研究員與拉徳堡德大學Theo Rasing教授為論文的共同通訊作者。