金属-1,2,4-三唑和金属-甲酸骨架材料的力学性质研究

Metal-organic frameworks (MOFs) are a young family of functional materials which have promising potential applications. However, their fundamental mechanical properties, which are critical to manufacturing and processing, have not been well understood. In this proposal, we will utilize multiple experimental means, including nanoindentation, high-pressure X-ray diffraction, resonant ultrasound spectroscopy, density functional theory calculations, etc. to explore the extensive mechanical properties of two families of representative MOFs, namely metal-1,2,4-triazolate and metal-formate frameworks, from a viewpoint of crystal structure and chemical bonding. We will generalize how topology, ligand field stabilization energy, guest solvents, polymorph, and hydrogen bonding etc. influence Young’s modulus, hardness, bulk modulus, Poisson’s ratio, shear modulus etc. of these MOFs, and elucidate the intrinsic relationship between bulk properties and crystal structure. This work will be of vital importance for realizing industrial applications of MOFs.

金属-有机骨架（Metal-organic framework，MOF）作为一类有重要应用前景的分子基功能材料，对其工业加工和制造过程有关键影响的力学性质研究却相对较少。本项目拟使用纳米压痕、高压X-射线衍射、共振超声谱、密度泛函计算等多种化学、材料与工程表征分析手段，从晶体结构和化学键的角度系统研究具有结构代表性的有孔金属-1,2,4-三唑骨架和密堆积金属-甲酸骨架这两类MOF材料的力学性质。揭示拓扑结构、晶体场分裂能、客体溶剂分子、多晶型现象(Polymorph)以及氢键作用等因素对这两类MOF材料的杨氏模量、硬度、体模量、泊松比、剪切模量等力学性质的影响规律，阐释材料的宏观力学性质与微观结构之间的内在关系。本项目的顺利实施将对推动MOF材料工业实用化进程具有重要的理论和实际意义。

金属-有机骨架或称配位聚合物材料，因其在气体吸附与分离等领域的应用前景，受到研究人员的广泛关注。但是，目前对与其工业加工和制造过程有关键影响的力学性质研究却相对较少。本项目围绕配位聚合物的力学性质和相变机理展开研究，主要成果包括：（1）发现二维铁电[C6H2NH3]2PbCl4层间范德华力管制材料结构对称性的纳米效应，并将其普适性拓展到其他二维材料体系；（2）发现[MA]Mn[N3]3中振动熵变驱动铁弹相变的新机制，为分子基铁性材料提供新的相变自由度；（3）发现Zn(CH3COO)2·2H2O的负面压缩效应，并证明其是已知综合负面积压缩性能最为优越的材料，编辑评价其在超灵敏压力传感方面将具有重要应用价值；（4）发现二维双氰胺杂化材料(TPrA)Cu(NO3)(dca)2中层间的静电作用可以有效增强材料的力学强度，建立2D材料的机械剥离难易程度与力学各向异性之间的关联性；（5）发现Jahn-Teller效应对两种类似骨架结构的金属-甲酸框架材料[C(NH2)3][Zn(HCOO)3]和[C(NH2)3][Cu(HCOO)3]的力学性质超过50%的调控；(6)发现推电子效应能有效增强金属-三唑骨架材料MAF-7的力学性能；（7）受邀为Science 撰写无金属钙钛矿铁电体的展望文章，相关研究入选2018年度“中国高等学校十大科技进展”之一。在项目的支持下，共发表论文26篇，其中第一和通讯作者论文19篇，合作论文7篇。包括Science （Perspective）1篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Chem. Sci. 后封面 1篇，另外在Nat. Rev. Mater. 和Coord. Chem. Rev.撰写综述各1篇。在项目执行期间，培养博士毕业4人，硕士毕业1人，联合培养硕士毕业1人。