研究人员发现了如何精细调控一种能够捕获二氧化碳和氢气等气体的未来型多孔玻璃。受拥有数百年历史的玻璃制造工艺启发，该团队添加了钠和锂化合物，使该材料更易于加工与成型。这一突破有望加速用于清洁能源、气体存储及先进制造领域的高性能材料的研发。
包括来自多特蒙德工业大学和伯明翰大学的科学家在内的国际研究团队，于5月4日在《自然-化学》上报道了这些发现。他们的工作表明，可以使用与长期用于传统玻璃的方法类似的方法来调整和设计MOF玻璃。
研究人员发现，引入含有钠或锂的小化合物会改变材料的结构和行为。这些添加剂降低了玻璃软化的温度，并使其在加热时更容易流动，这可能会简化制造过程。
这一发现为设计用于先进技术的定制化MOF玻璃创建了一个新框架。潜在应用包括气体分离、化学存储、先进涂层和清洁能源系统。
伯明翰大学的多米尼克·库比茨基博士表示：“玻璃作为人类文明的一部分已有数千年历史。从古代美索不达米亚到现代光纤电缆，少量的化学改性剂使玻璃更容易加工，并改变其功能特性。
“然而，MOF玻璃仅在高温下——300 °C以上——才会软化，这接近其分解温度，使得制造具有挑战性并限制了更广泛的使用。这一发现为未来的高性能材料开启了新的可能性。”
钠改变了MOF玻璃的结构
最著名的MOF玻璃之一是ZIF-62，这是一种多孔材料，可以熔化并冷却成玻璃，同时仍保留部分内部孔隙。这些孔隙使其在气体分离、膜和催化等应用中非常有用。
多特蒙德工业大学的塞巴斯蒂安·亨克教授解释说：“我们的方法受到传统硅酸盐玻璃改性方式的启发：通过破坏网络结构来调节熔融行为和机械性能。
“我们的研究表明，同样的原理可以转移到混合金属有机玻璃上。这一进步使MOF玻璃在气体分离、存储、催化及其他领域的实际制造和应用更近了一步。”
为了确切了解钠添加剂如何改变材料，研究人员使用了先进分析技术。伯明翰大学的科学家在多米尼克·库比茨基博士和本杰明·加兰特博士的带领下，对改性后的玻璃结构进行了原子级研究，并在英国高场固态核磁共振设施进行了高温固态核磁共振（NMR）波谱实验。
他们的工作揭示了钠离子如何结合到玻璃网络中，并削弱结构内部的一些连接。
AI建模揭示原子级变化
另一个由安德鲁·莫里斯教授和马里奥·翁基科博士领导的伯明翰团队，利用AI驱动的计算建模来帮助解读复杂的NMR数据。机器学习辅助模拟展示了钠在原子层面如何与玻璃相互作用，从而证实了实验结果。
实验和计算结果综合表明，钠不仅仅是占据材料内部的空位。相反，一些钠原子取代了锌原子，略微松弛了玻璃结构并改变了其性质。
既然科学家们更好地了解了如何改性这些材料，研究人员表示，还需要开展更多工作来提高其稳定性，更准确地预测其行为，并评估其在现实技术中的性能。
该研究涉及来自多特蒙德工业大学、伯明翰大学、波鸿鲁尔大学、SRM大学-AP、慕尼黑工业大学和剑桥大学的研究人员。