探索作为超轻、高强度机械超材料的分层金属-有机框架

2022年3月1日，上海科技大学和北京航空航天大学联合在JACS上发表了一篇题为“Exploration of Hierarchical Metal-Organic Framework as Ultralight, High-Strength Mechanical Metamaterials”的新研究。

该研究证实通过分子构建和细观结构设计的协同努力，分层 MOF 可以表现出优异的机械性能。利用尖端的原地透射和扫描电子显微镜（TEM 和 SEM）技术，对单个试样进行压缩定量研究了中空 UiO-66 八面体颗粒的力学性能。结果表明，分级多孔骨架材料的屈服强度和杨氏模量呈现出明显的“越小越强越硬”的尺寸依赖性。

这项工作揭示了 MOF 材料可以制成一类新的低密度、高强度的机械超材料，并为实际应用中纳米 MOF 的机械稳定性提供了一定的见解。

第一作者：Yurui Xing

通讯作者：胡大勇, 李涛, 张洪题

通讯单位：北京航空航天大学，上海科技大学

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11136

DOI: 10.1021/jacs.1c11136

01 研究背景

由于极高的表面积与体积比以及巨大的结构和化学多样性，金属有机框架（MOF）在多相催化、气体储存分离和药物输送等应用中备受关注。然而， MOF 材料作为高强度机械超材料的潜力尚未研究。

力学性能是决定MOFs的实用性的一个至关重要的因素。目前除了理论计算和模拟可以预测MOFs的力学性能，很多实验也能够更直接、更可靠地证实MOFs的力学性能。比如纳米压痕、DAC 和 XRD、SEM 和 TEM等。借鉴Suslick团队对于ZIF-8纳米粒子的研究方法，该团队研究了中空的UiO-66力学性能。

02 研究内容

该项研究首先合成了不同厚度UiO-66中空单晶。其次利用尖端的原地透射和扫描电子显微镜（TEM 和 SEM）技术，对单个试样进行压缩定量研究了中空 UiO-66 八面体颗粒的力学性能。

结果表明，分级多孔骨架材料的屈服强度和杨氏模量呈现出明显的“越小越强越硬”的尺寸依赖性，最大屈服强度和杨氏模量分别达到580±55 MPa和4.3±0.5 GPa。比强度测量为 0.15 ± 0.03 至 0.68 ± 0.11 GPa g–1 cm3，这与先前报道的最先进的机械超材料如玻璃碳纳米晶格和热解碳纳米晶格相当。

图1 UiO-66中空MOF粒子的原位TEM压缩研究概述。(a) TEM试样原位压缩试验平台配置示意图。该插入表示UiO-66的结构。(b) TEM图像显示,中空的八面体沿⟨112⟩视图方向呈现一种矩形形态 (b)在⟨110⟩视图方向为菱形形态 (c)红线表示沿着⟨110⟩方向八面体的边缘长度,蓝线表示在⟨111⟩方向高度H。(d) SEM图像为典型的分散在楔形硅样品座上的单个UiO-66空心的俯视图。(e) UiO-66样品从八面体到圆形纳米棒的几何平移图。

这项工作揭示了 MOF 材料可以制成一类新的低密度、高强度的机械超材料，并为实际应用中纳米 MOF 的机械稳定性提供了一定的见解。