化学与工程的交汇：如何通过分子设计实现宏观机械响应

来自 实验室仪器网

化学家利用合成技术制造具有吸引力的物质，从拯救数百万生命的药物到能照亮智能手机屏幕的有机发射器。

虚构的建筑师正在构建对机械载荷力有响应的分子晶格。如果我们还能利用合成化学的工具，工程化力学：材料如何弯曲、扭曲和抵抗力，会怎样？

研究人员开发了一种金属有机框架（MOF），这是一种多孔材料，该材料由分子构件组装而成，获得了2025年诺贝尔化学奖，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，精确构建具有宏观机械响应的周期晶格结构。这项研究不仅为材料科学家提供了新工具：它暗示了化学也能参与机械材料设计，而这一领域传统上由工程师和物理学家主导。

机械超材料的特殊性主要源于结构连通性，可以表现出负泊松比，吸收冲击并引导声音传播。由于该领域主要利用最先进的3D打印和光刻技术设计和制造这些元结构，通常采用现成材料的微米级或更大尺度，因此在三维中精确构建周期晶格，尤其是使用分子薄支架和节点，尤其具有挑战性。

化学家有独特的优势去打破这一障碍。MOFs通过有机“束流”连接的金属“节点”提供晶体网络。

通过仔细替换这些连接梁，这些连接梁长度和柔韧性各异，研究人员可以调节格子本身对机械压力的响应，就像建筑师在钢结构和木结构支撑之间选择一样。

因此，名为PCN-700（PCN代表多孔配位网络）的MOF刚度可以通过安装不同的有机连接件，将刚度从大约9吉帕卡提升到17吉帕斯卡，同时保持材料的低密度。

这些MOF的整体机械性能与轻木材相当。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。无数微小运动的累积将导致材料在宏观尺度上可见的形状变化。这为什么比我们自身的好奇心更重要？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。相反，它成为了一门机械设计学科。想象一个未来，胶囊只有在感知到患者肌肉收缩时才释放药物，或者电池电极在充电时变硬以防止开裂。

这样的愿景不仅来自缩小3D打印，还将来自那些像工程师一样思考、掌握工具、逐束合成材料的化学家。

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