具有可调拓扑结构的分子桁架晶格的化学构建

《Journal of the American Chemical Society》：Chemical Construction of Molecular Truss Lattices with Tunable Topologies

通过后合成修饰调节金属有机框架（MOF）PCN-700的拓扑结构和力学性能，实现纳米级弹性模量（8.9–17.4 GPa）调控，分子连接方式决定 lattice 变形模式，原子力显微镜验证并揭示分子平面旋转贡献刚度。

　　

在纳米尺度上实现工程化的连接性，可以创造出具有独特性质的机械超材料。然而，制造具有分子连接性和可调拓扑结构的3D晶格是一项具有挑战性的任务。在这里，我们选择了一种名为金属-有机框架（MOF）的超分子材料作为原型，其中分子被用作节点和梁来构建纳米级的桁架晶格。合成了一种名为PCN-700的MOF，它具有明确的体心立方结构，其分子连接性、拓扑结构和内部应力可以通过添加不同长度的有机连接剂在合成后进行精确调控。通过亚纳米级的精度调控，这种材料具备了可调的弹性模量（8.9–17.4 GPa），同时密度没有明显变化，这一点通过原子力显微镜压痕实验得到了验证。从纳牛顿到毫牛顿范围内的压缩行为研究揭示了内在化学结构与机械性能之间的联系，其中分子连接性决定了晶格的变形方式。拉曼光谱和第一性原理计算表明，PCN-700能够通过有机配体中分子平面的旋转来承受压缩变形，从而增强整体的刚性。本文所提供的见解不仅将揭示MOFs在力学领域的应用潜力，还将为纳米尺度机械超材料的化学设计和精密工程提供启发。