多孔软材料的“无”特性是其性能和应用的核心，也是多年来研究的重点。如今，来自日本的科学家们已成功解决了这些材料长期以来面临的挑战，这将推动相关研究和开发，并提升它们在实际应用中的有效性。
在最近发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，东京大学工业科学研究所的研究团队揭示了物理特性——弹性异质性——在调节一种常见软多孔材料：金属有机框架（MOF）的分子吸附和解吸特性中的关键作用。
MOF是一种海绵状材料，自20世纪90年代以来一直备受关注。它们具有高度的可调性，意味着通过改变构建它们的金属离子和有机连接剂，可以调整其大小、形状和组成。这种调整最终会影响它们的特性，例如机械灵活性。此外，在吸附分子（称为客体）后，MOF（称为宿主）的晶体结构可能会经历一种称为弹性非均匀性的形状变化。
由此产生的MOF的刺激响应性和客体吸附选择性使其在传感器、超级电容器和药物输送工具等多个领域得以应用。
为了优化先进MOF的设计，研究人员长期以来一直致力于理解宏观弹性特性与相应的微观主客体相互作用之间的关系。通过计算模拟来获得这种理解是研究人员面临的挑战。
“我们的简化统计力学模型揭示了客体吸附和解吸在弹性非均质性中的作用，”该研究的主要作者Kota Mitsumoto表示。“我们在数学上将晶格的膨胀和收缩与主客体相互作用的能量和热力学联系起来。”
模拟主要集中在MOF内部的两类组成区域：客体吸附区域，较为坚硬；以及客体解吸区域，较为柔软。研究人员的主要发现是，这些区域的形状取决于区域间弹性刚度的差异。客体吸附对应于致密结构域，而客体解吸则对应于扁平结构域。
“我们推导了客体吸附和解吸之间过渡的熵和能量贡献，”资深作者Kyohei Takae指出。“因此，我们为MOF及类似材料中弹性非均质性的起源提供了物理化学的见解。”
这项研究的成果可以用于赋予软多孔材料特定的目标特性。例如，紧凑的区域可以促进强的客体限制，从而应用于气体存储等领域。此外，平坦的结构域可以增加MOF的表面积，从而促进化学反应。传感器及许多其他刺激响应材料将从这些发现中受益。
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希望本篇文章《对创新刺激响应多孔材料的深入探讨》能对你有所帮助！
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