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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)超材料和實現(xiàn)“熱縮冷漲“效應(yīng)的機械超材料等。其中，能展現(xiàn)出質(zhì)輕高強特性的機械超材料尤其受到關(guān)注。此類材料的開發(fā)通常基于拓撲學(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以下的納米機械超材料仍是一大難題。

金屬有機框架（MOF）作為一類由金屬離子團簇通過有機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，其鏈狀有機分子通過與金屬離子團簇配位所形成的周期性框架有著與“超材料”網(wǎng)格類似的周期性拓撲結(jié)構(gòu)。同時，該類拓撲結(jié)構(gòu)還可以通過配體與金屬的排列組合進行設(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撲結(jié)構(gòu)的納米尺度“超材料”值得探究，加之有機分子與金屬離子團簇間較強的鍵合，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)院張洪題團隊與李濤團隊通力合作，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中空顆粒的機械性能進行了原位的定量研究。實驗發(fā)現(xiàn)，樣品尺寸對MOF顆粒的屈服強度、楊氏模量和比強度都有著顯著影響，呈現(xiàn)出類似于“Hall-Petch關(guān)系”的“愈小愈強”尺寸效應(yīng)。研究表明，此類低密度空心MOF的屈服強度達到了580MPa，與鋼鐵相當。其比強度（單位質(zhì)量所具有的強度）更是達到了0.68 GPa g^-1 cm³，能媲美玻璃碳網(wǎng)格等當今增材制造領(lǐng)域內(nèi)的機械超材料。通過對尺寸在百納米級別的MOF顆粒的機械性能和形變機制的系統(tǒng)性原位實驗和理論分析，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，上海科技大學(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)計策略以及與先進機械超材料的力學(xué)性能對比