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“超材料”是指人工合成的一類能展示出天然材料所不具備特性的新材料，如具有隱身特性的光學(xué)超材料、呈現(xiàn)“左手特性”的電磁學(xué)超材料和實(shí)現(xiàn)“熱縮冷漲“效應(yīng)的機(jī)械超材料等。其中，能展現(xiàn)出質(zhì)輕高強(qiáng)特性的機(jī)械超材料尤其受到關(guān)注。此類材料的開發(fā)通常基于拓?fù)鋵W(xué)原理設(shè)計和3D打印增材制造技術(shù)制備，然而受限于現(xiàn)有3D打印技術(shù)的精度，制備尺寸在1μm以下的納米機(jī)械超材料仍是一大難題。

金屬有機(jī)框架（MOF）作為一類由金屬離子團(tuán)簇通過有機(jī)分子鍵連組裝而成的周期性多孔材料，因其極高的比表面積和孔隙率，在氣體儲存分離、非均相催化和化學(xué)傳感等領(lǐng)域都有著廣泛用途。從分子層面來看，其鏈狀有機(jī)分子通過與金屬離子團(tuán)簇配位所形成的周期性框架有著與“超材料”網(wǎng)格類似的周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時，該類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以通過配體與金屬的排列組合進(jìn)行設(shè)計和調(diào)節(jié)。因此，能否通過化學(xué)設(shè)計和分子自組裝這種“分子砌塊”的策略來制備具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米尺度“超材料”值得探究，加之有機(jī)分子與金屬離子團(tuán)簇間較強(qiáng)的鍵合，此策略能否作為一種全新途徑來構(gòu)建尺寸在1μm以下的納米機(jī)械超材料同樣值得研究。

近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張洪題團(tuán)隊(duì)與李濤團(tuán)隊(duì)通力合作，使用微納米力學(xué)研究方法在電子顯微鏡內(nèi)對一類使用“分子砌塊”策略合成的“超輕”（密度小于水）MOF中空顆粒的機(jī)械性能進(jìn)行了原位的定量研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣品尺寸對MOF顆粒的屈服強(qiáng)度、楊氏模量和比強(qiáng)度都有著顯著影響，呈現(xiàn)出類似于“Hall-Petch關(guān)系”的“愈小愈強(qiáng)”尺寸效應(yīng)。研究表明，此類低密度空心MOF的屈服強(qiáng)度達(dá)到了580MPa，與鋼鐵相當(dāng)。其比強(qiáng)度（單位質(zhì)量所具有的強(qiáng)度）更是達(dá)到了0.68 GPa g^-1 cm³，能媲美玻璃碳網(wǎng)格等當(dāng)今增材制造領(lǐng)域內(nèi)的機(jī)械超材料。通過對尺寸在百納米級別的MOF顆粒的機(jī)械性能和形變機(jī)制的系統(tǒng)性原位實(shí)驗(yàn)和理論分析，該研究使人們對MOF材料的力學(xué)特性有了更直觀、清晰的認(rèn)識和理解，同時展現(xiàn)了通過分子砌塊和化學(xué)合成手段制備納米尺度“超材料”的可能性。

該成果以“Exploration of Hierarchical Metal-Organic Framework as Ultralight, High-Strength Mechanical Metamaterials” 為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）。上科大物質(zhì)學(xué)院2019級碩士研究生邢毓蕊為第一作者，物質(zhì)學(xué)院張洪題教授、李濤教授和北京航空航天大學(xué)胡大勇教授為共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

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

圖. 中空UiO-66MOF顆粒作為多級網(wǎng)格材料的合成設(shè)計策略以及與先進(jìn)機(jī)械超材料的力學(xué)性能對比