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（圖片來源：MIT）

 

       過去幾年，一類名為金屬有機骨架(MOF)的材料引起關注。這類材料在相關能源領域的應用潛力巨大，而且研究人員發現，這類典型的絕緣材料也可以制成導電材料。

 

       MOF材料將孔隙率和導電性完美結合于一體，為電池、燃料電池、超級電容器、電催化劑和專門的化學傳感器開辟了新的應用前景。但是，開發特定屬性MOF材料的進程一直很緩慢，在很大程度上，這是因為很難弄清楚它們的確切分子結構，及其如何影響材料性能。

 

       據外媒報道，麻省理工學院（MIT）和其他機構的研究人員找到一種方法，可以控制若干種MOF晶體的生長，有可能生成足夠大的晶體，以供測試并解析材料結構。這些結構類似于石墨烯等材料的二維六角形晶格。MIT的化學系教授Mircea Dincă表示，自從幾年前首次發現導電MOF以來，許多團隊一直致力于針對各類應用開發不同材料版本，“但是，沒有人能夠獲得材料結構的更多信息。”他說，對這些結構了解得越透徹，“就能幫助你設計出更好的材料，而且開發速度更快。這就是我們現在所做的工作，首次以原子分辨率詳細解析晶體結構。”

 

       他說，要培育出大到足以進行此類研究的晶體，其困難在于MOF內部的化學鍵。這些材料由金屬原子和有機分子組成的晶格組成，往往會形成彎曲的針狀或線狀晶體，因為在它們的六邊形晶格平面上，原子之間的化學鍵很難形成，也很難打破。相比之下，垂直方向上的化學鍵要弱得多，因此斷裂和重整的速度更快，從而導致結構上升的速度快于其擴散速度。由此產生的細長晶體過小，大多數可用工具都無法確定其特征。

 

       該團隊通過改變MOF中一種有機化合物的分子結構來解決這一問題，從而影響電子密度及其與金屬相互作用的方式之間的平衡性。這能扭轉鍵強度和生長速率不平衡的問題，從而形成更大的晶片。然后，使用一系列基于高分辨率衍射的成像技術，對這些較大的晶體進行分析。

 

       Dincă表示，與石墨烯一樣，尋找生產更大材料的方法，可能是釋放這類MOF潛力的關鍵。起初生產石墨烯時，只能利用膠帶從石墨塊上剝離單原子厚度層體。但隨著時間的推移，人們已經找出方法，可以直接生產出足夠大和有用的薄片。Dincă說，希望此次研發的技術可以幫助MOF類似研究鋪平道路。“這基本上為制造二維MOF大晶體提供了依據和藍圖。”

 

       但與其他大多數導電材料不同的是，MOF導電材料類似于石墨烯，導電方向性很強：比起垂直方向，它們可以更加自由地沿著材料薄片平面進行傳導。這種特性，再加上該材料具有非常高的孔隙率，使其成為電池、燃料電池或超級電容器電極材料的有力候選者。當其有機成分上附著一定的原子群，并與其他特定化合物相結合時，它們可以用作非常靈敏的化學探測器。

 

       在電子和其他潛在應用方面，石墨烯和其他幾種已知2D材料已經開辟了廣泛的研究領域，但這些材料基本上具有固定屬性。Dincă表示，與這些材料相比，MOF有很多類似屬性，但又可能形成一系列具有不同屬性的變體，因此，研究人員可以設計用于特定用途的特定類型材料。例如，對于燃料電池來說，他說，“你想要的是具有大量活性位點的東西，”以便在具有開放網狀結構提供的大表面積上進行反應。或者，要讓傳感器監測二氧化碳等特定氣體濃度，“你需要特定的、不會做出錯誤性引導的東西。”通過選擇用于制造MOF的有機化合物進行設計，可以實現這些性質。