如何使用分子建构物打造具有吸引力特性的材料

来自 实验室仪器网

化学家利用合成来创造具有吸引力特性的物质，从拯救数百万人生命的药物到照亮智能手机屏幕的有机发射器。如果我们还可以设计力学：使用合成化学工具，材料弯曲、扭曲和抵抗力的方式会怎样？

研究人员开发了一种金属有机框架（MOF），这是一种获得诺贝尔化学奖的多孔材料，由分子组成部分组装而成，通过化学键的弯曲和扭曲实现结构变形。

在这里，化学成为亚纳米尺度的建筑师，精确地构建了具有宏观机械响应的周期性晶格结构。这项研究为材料科学家提供的不仅仅是一个新工具：它暗示了一种观点，即化学也可以为机械材料设计做出贡献，而机械材料设计传统上由工程师和物理学家主导。

机械超材料的奇异特性主要源于结构连通性，可以显示负泊松比，吸收冲击，引导声音传播。

由于该领域专注于使用最先进的3D打印和光刻技术设计和制造这些超结构，通常以微米尺度或更大的现成材料进行，因此精确地构建3D周期性晶格，尤其是使用分子薄支柱和节点，尤其具有挑战性。

化学家在打破这一障碍方面具有独特的优势。MOF提供由有机“光束”连接的金属“节点”的晶体网络。

通过仔细更换这些梁，这些梁是具有不同长度和柔韧性的连接器的连接器，研究人员可以调整晶格本身对机械压力的反应，就像建筑师在钢或木支撑之间进行选择一样。

因此，只需安装不同的有机连接剂，名为PCN-700（PCN代表多孔配位网络）的MOF的刚度就可以从大约9吉帕变为17吉帕，同时保持材料的低密度。

这些MOF的整体机械性能可与轻质木材相媲美。研究人员结合实验和建模，探讨这些MOFs在分子尺度上如何抵抗压缩。令人惊讶的是，PCN-700的晶格结构非常灵活。在压缩下，其化学键可以扭曲、弯曲和旋转。无数微小运动的积累将使材料在宏观尺度上可见的形状变化。

为什么这不仅仅是我们自己的好奇心？因为它挑战了长期以来的假设：化学家是原料供应者，工程师则塑造最终形态。如果化学家能建造出能随意吸收或重定向机械能的晶格，那么化学就不再只是材料的来源。

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