牛津大學Nat. Mater.：拓撲無序設計增強MOFs的彈性穩定性

一、【科學背景】

金屬有機框架（MOFs）是一類由金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位鍵連接而成的多孔材料，因其高比表面積和可調節的孔隙結構而受到廣泛關注。它們在氣體存儲、分離和催化等領域具有潛在應用。傳統的MOFs在高壓條件下往往表現出不穩定性，可能會發生相變或結構崩潰。例如，MOF-5在低于0.2 GPa的壓力下就會發生非晶化。研究者們希望找到能夠在高壓下保持穩定的MOF，以擴展其應用范圍。

二、【創新成果】

近日，牛津大學的Andrew L. Goodwin教授強調了拓撲結構在MOF機械性能中的重要性。TRUMOF-1是一種具有非周期性網絡拓撲的MOF，研究表明這種結構可以有效提高材料的彈性穩定性，避免傳統MOF在高壓下的脆弱性。該工作采用了變壓單晶X射線衍射等先進技術來研究TRUMOF-1在高壓下的行為，結合粗粒化晶格動力學模型，探討了其在不同壓力下的機械響應和壓縮機制。這項工作探索和理解新型MOF材料在高壓條件下的機械性能，特別是通過非周期性拓撲結構來提高彈性穩定性，為MOF的設計和應用提供新的思路和方法。

圖1 MOF-5和TRUMOF-1結構的組裝 ? 2024 Springer Nature Limited

圖2 TRUMOF-1的壓力誘導結構變化 ? 2024 Springer Nature Limited

圖3 粗粒度MOF-5和TRUMOF-1模型的彈性行為 ? 2024 Springer Nature Limited

圖4 TRUMOF-1的非均質壓縮機制 ? 2024 Springer Nature Limited

三、【科學啟迪】

該成果表明了拓撲結構的重要性，MOFs的拓撲結構對其機械性能和彈性穩定性有顯著影響。通過設計具有非周期性結構的MOFs，可以實現更好的彈性響應和穩定性，這為MOF的設計提供了新的思路。這項工作提出了“組合力學”的概念，強調了材料中局部連接的均勻性如何驅動復雜的、空間分布的響應。這種思路可以應用于其他材料的設計，尤其是在需要特定機械性能的領域。通過對TRUMOF-1的研究，研究人員探索如何利用其獨特的彈性和熱響應特性來開發新型低密度框架結構，應用于熱管理、能量存儲和轉換等領域。這項工作啟示我們在材料設計中考慮拓撲結構和局部連接性，以實現更優異的機械和熱性能，推動新材料的開發與應用。

原文信息：Meekel, E.G., Partridge, P., Paraoan, R.A.I. et al. Enhanced elastic stability of a topologically disordered crystalline metal–organic framework. Nat. Mater. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01960-7