牛津大学Nat. Mater.：拓扑无序设计增强MOFs的弹性稳定性

一、【科学背景】

金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成的多孔材料，因其高比表面积和可调节的孔隙结构而受到广泛关注。它们在气体存储、分离和催化等领域具有潜在应用。传统的MOFs在高压条件下往往表现出不稳定性，可能会发生相变或结构崩溃。例如，MOF-5在低于0.2 GPa的压力下就会发生非晶化。研究者们希望找到能够在高压下保持稳定的MOF，以扩展其应用范围。

二、【创新成果】

近日，牛津大学的Andrew L. Goodwin教授强调了拓扑结构在MOF机械性能中的重要性。TRUMOF-1是一种具有非周期性网络拓扑的MOF，研究表明这种结构可以有效提高材料的弹性稳定性，避免传统MOF在高压下的脆弱性。该工作采用了变压单晶X射线衍射等先进技术来研究TRUMOF-1在高压下的行为，结合粗粒化晶格动力学模型，探讨了其在不同压力下的机械响应和压缩机制。这项工作探索和理解新型MOF材料在高压条件下的机械性能，特别是通过非周期性拓扑结构来提高弹性稳定性，为MOF的设计和应用提供新的思路和方法。

图1 MOF-5和TRUMOF-1结构的组装 © 2024 Springer Nature Limited

图2 TRUMOF-1的压力诱导结构变化 © 2024 Springer Nature Limited

图3 粗粒度MOF-5和TRUMOF-1模型的弹性行为 © 2024 Springer Nature Limited

图4 TRUMOF-1的非均质压缩机制 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该成果表明了拓扑结构的重要性，MOFs的拓扑结构对其机械性能和弹性稳定性有显著影响。通过设计具有非周期性结构的MOFs，可以实现更好的弹性响应和稳定性，这为MOF的设计提供了新的思路。这项工作提出了“组合力学”的概念，强调了材料中局部连接的均匀性如何驱动复杂的、空间分布的响应。这种思路可以应用于其他材料的设计，尤其是在需要特定机械性能的领域。通过对TRUMOF-1的研究，研究人员探索如何利用其独特的弹性和热响应特性来开发新型低密度框架结构，应用于热管理、能量存储和转换等领域。这项工作启示我们在材料设计中考虑拓扑结构和局部连接性，以实现更优异的机械和热性能，推动新材料的开发与应用。

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