设计先进刺激响应材料的见解

多孔软材料的“无”(空的空间)特征是其性能和应用的基础，多年来一直是研究的焦点。现在，日本研究人员解决了这些材料长期存在的难题，这将加快研究和开发速度，并提高它们在实际设备中的实用性。

在最近发表在《国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中，东京大学工业科学研究所的研究人员揭示了物理特性(弹性异质性)在调节一类常见软多孔材料：金属有机框架(MOF)的分子吸附/解吸特性方面的重要性。

MOF 是海绵状材料，是 20 世纪 90 年代以来的研究热点。它们具有高度可调性，这意味着它们的大小、形状和成分可以通过改变用于构建它们的金属离子和有机连接体来改变。这种调整最终可以改变它们的特性，例如机械灵活性。此外，在吸附分子(称为客体)时，MOF(称为主体)晶体结构可能会发生不均匀的形状变化，称为弹性异质性。由此产生的 MOF 的刺激响应性和客体吸附选择性导致了许多应用，例如传感器、超级电容器和药物输送工具。

为了改进先进 MOF 的设计，研究人员长期以来一直试图了解弹性的宏观特性与相应的微观主客体相互作用之间的联系。通过计算模拟获得这种理解是研究人员寻求解决的问题。

“我们的简化统计力学模型揭示了客体吸附和解吸在弹性异质性中的作用，”该研究的主要作者 Kota Mitsumoto 解释道。“我们在数学上将晶格膨胀和收缩与主客体相互作用的能量学和热力学联系起来。”

模拟重点关注两类域，它们是 MOF 内的组成区域：客体吸附的，较硬;客体吸附的，较硬的。和客体解吸，更柔软。研究人员的主要结果是，这些域的形状取决于域之间弹性刚度的差异。客体吸附对应于紧凑域，而客体解吸对应于扁平域。

“我们推断出客体吸附和解吸之间转变的熵和能量贡献，”资深作者 Kyohei Takae 说。“因此，我们提供了对 MOF 和类似材料内弹性异质性起源的物理化学见解。”

这项工作可应用于赋予软质多孔材料目标性能。例如，紧凑的域可以促进强大的客体限制，从而促进气体储存等应用。或者，平坦的区域可以增加 MOF 的表面积，从而促进化学反应。传感器和许多其他刺激响应材料将受益于这些见解。

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