[上图]金属有机框架玻璃ZIF-62的样品。图源:Morten Smedskjaer和Yuanzheng Yue
如果你是一个长期的读者今日陶瓷科技，你可能熟悉的材料被称为有机框架(财政部)。
MOFs是多孔杂化材料，由高度有序的3D正电荷金属离子阵列组成，周围环绕着有机“连接器”分子。该材料的中空结构使其具有惊人的大内表面积，这使得它适合于存储、分离和催化应用。
尽管MOFs在各种应用中具有巨大的潜力，但MOFs面临着大规模生产的重大挑战——它们难以批量合成。
“与竞争材料相比，MOFs在稳定性方面很脆弱。例如，由于金属配体配位键相对较弱，许多mof在化学上是不稳定的，并且在不同类型的化学环境(例如酸性或碱性环境)中具有较低的耐受性ACS中央科学文章解释说。
因此，寻找合成mof的新方法，使它们以稳定的体积形式存在，是研究人员的一个重要研究领域。
我们已经涵盖了一些财政部的制造进展结论，例如在这里而且在这里．但有一种制造技术尤其引人注目MOF在玻璃相中的形成．
2015年，奥尔堡大学教授圆睁曰观察到MOFs的首次量热玻璃化转变。他在一封电子邮件中说:“从基础科学和技术应用的角度来看，这是一个令人兴奋的发现。”由于玻璃的稳定性，“这一发现使得用MOF制造散装材料，或制造具有各种形状和尺寸的MOF玻璃成为可能。”
来自欧洲、中国和日本的研究团队，包括岳岳，发表了第一篇论文纸戴上MOF眼镜自然通讯．他们特别关注MOFs的一个子集，称为沸石咪唑盐框架(ZIFs)，它表现出比其他MOF子集更高的热稳定性和化学稳定性。
他们成功地通过熔融淬火制造了大块的ZIF玻璃，这表明“沸石型MOF的广泛融化温度与其网络拓扑有关，并开辟了‘熔铸’MOF玻璃的可能性。”
自2015年的研究以来，研究人员对ZIF玻璃进行了更多的研究，希望改进制造技术，并了解这些材料的结构和性能。今年，岳岳和奥尔堡教授领导的两项新研究Morten Smedskjaer深入研究ZIF玻璃的力学性能。
ZIF玻璃:压痕行为和断裂韧性
压痕和变形行为
的第一个研究，出版于美国国家科学院院刊的研究是在奥尔堡大学完成的。他们研究了ZIF玻璃，特别是ZIF-62的压痕和变形行为。
他们解释说:“我们选择ZIF-62玻璃，因为它可以在相对较大的、均匀的散装样品中进行机械测试，也因为它的结构和各种材料性能已经被研究过了。”特别是，与其他zif相比，ZIF-62具有超高的玻璃形成能力，在液态状态下表现出更高的热稳定性和结构稳定性。
除了这些特性，ZIF-62还为研究断裂和变形行为提供了完美的案例研究，因为之前发现了关于这种行为的异常结果。
“通常，泊松比高的玻璃比泊松比低的玻璃表现出更高的延展性。然而，ZIF玻璃表现出异常行为;也就是说，尽管它的泊松比很高，但它的特点是容易裂纹成核，”研究人员解释说。这种反常行为的原因是他们在研究中探索的。
研究人员对ZIF-62玻璃进行了微压痕和纳米压痕测试，并进行了一些有趣的观察。
首先，就裂纹模式而言，他们观察到了中间裂纹和径向裂纹，许多氧化玻璃中也可见到这种模式。然而，“ZIF玻璃中中位裂纹的发生是一种异常行为，因为它是一个高泊松比体系。”他们认为，这种开裂可能与ZIF玻璃中的锌氮配位键有关，这种配位键比其他玻璃家族中的离子键、共价键和金属键弱。
其次，研究人员发现在压痕下，玻璃中会形成剪切带。剪切带是指在材料严重变形时形成的具有强烈剪切应变的狭窄区域，通常具有塑性。
他们解释说，在任何其他完全聚合的3D网络玻璃中都没有发现剪切带的形成。他们说，虽然在一些硫系玻璃中也观察到类似的剪切带，但“目前ZIF玻璃中剪切带形成的微观起源是不同的”。特别是，他们将这种形成部分归因于ZIF玻璃中较弱的配位键的断裂(如上所述，这是导致中间裂纹模式的同一方面)。
在结论中，他们指出，除了研究揭示了玻璃的粘结特性和微观结构对其力学性能的影响外，这些结果“有利于评估MOF大块玻璃的整体力学性能，以找到它们的应用领域”，并从总体上了解玻璃脆性的来源。
该论文发表于美国国家科学院院刊，是"金属-有机框架玻璃中压痕诱导剪切带的观察(DOI: 10.1073/pnas.2000916117)。
断裂韧性
的第二项研究，出版于自然通讯这项研究是与加州大学洛杉矶分校的一名研究人员合作完成的。这项研究也集中在ZIF-62玻璃上，但研究人员没有研究它的压痕开裂模式，而是研究了它的断裂韧性。
断裂韧性是一种描述含有裂纹的材料抗断裂能力的性质。这在材料设计中是一个非常重要的特性，因为虽然在制造过程中无法完全避免缺陷的发生，但具有高断裂韧性的材料可以防止这些缺陷失控。
与其他关于MOF玻璃力学性能的研究不同，研究人员没有使用压痕测试来研究断裂韧性。相反，他们使用了单边预裂梁方法和基于反作用力场的分子动力学模拟。
实验和模拟均发现断裂韧性值较低(0.104 MPa m0．50.097 MPa m0．5)和裂缝表面能(0.82 Jm .−20.98 Jm−2)．研究人员再次将这些发现归因于弱配位键的断裂，就像他们在第一项研究中对许多观察结果所做的那样。
他们还计算了其他几个属性值，包括强度和弹性模量(杨氏模量)。他们说，当整体观察时，这些特性赋予了ZIF-62玻璃“断裂行为的独特性”。
“首先，与其他玻璃(如二氧化硅)相比，它具有明显的纳米延展性，但在宏观尺度上，它表现出非常低的断裂韧性，类似于弹性体或高韧性泡沫。此外，由于这种低韧性，ZIF-62玻璃具有更大的杨氏模量(E= 4-6 GPa)比泡沫和弹性体(E< 1 GPa)，”他们解释道。
最终，“这些特征将MOF玻璃定位在阿什比迄今为止尚未被占领的地区K集成电路vs。E情节，”他们说。
在结论中，研究人员表示，这些结果对理解其他MOF玻璃的断裂行为和力学性能也具有“深远的意义”。研究结果对于寻找克服MOF玻璃脆性的解决方案具有重要意义。
这篇开放获取的论文发表在自然通讯，是"金属有机框架玻璃的断裂韧性(DOI: 10.1038/s41467-020-16382-7)。
在一封电子邮件中，Smedskjaer表示，他们希望研究其他MOF玻璃的压痕行为和断裂韧性。“然而，在大多数情况下，目前的样品太小，不允许进行机械测试，”他说。
无论如何，Smedskjaer期待着以其他方式研究MOF眼镜。在最近的研究中，a即使在较短的长度范围内也有高度的结构紊乱已经找到了，还有一个MOF玻璃的热导率异常高于晶体．因此，在这个新的玻璃家族中可能有许多有趣的现象等待着被探索，”他说。