2024年5月24日Nature头条

标题：超级明星——多孔材料，通过计算机模拟变咸了

副标题：模型在实际运用中模拟了先前难以理解的化合物结构

附图：计算机模拟描绘了一种非金属有机框架材料，它由氯化物节点(绿色)和胺连接物组成，并布满了大孔隙(黄色;灰色是碳，白色是氢，紫色是氮)。

主要内容：

 被称为金属有机框架的革命性材料在化学领域掀起了风暴。它们高度多孔的结构使它们在从实验室到工厂的各个场所都很有用，促使科学家们创造出数千种品种。现在，一个研究小组利用计算机模拟设计出了不使用金属而完全由有机盐制成的框架。

 盐基框架可以比金属有机框架更便宜地制造，并且可以具有现有框架所缺乏的性质。该模拟已经产生了可以捕获核废料中产生的污染物的盐基框架。

 这项研究发表在5月22日的《自然》杂志上。

 ——模块化材料

 金属有机框架(MOF)由笼状模块构建而成。每个模块都由作为节点的金属离子或簇来定义，由刚性的碳基连接器连接——想想建筑玩具或脚手架中的轮毂和杆。这些成分之间的空间可以容纳其他分子，所以MOF可以用来过滤和分离化学物质。他们的模块化结构使科学家们有可能创造出9万多种类型，并推动了由其他材料制成的类似框架的发展。

 盐通过带正电荷和带负电荷的组分之间的离子吸引力结合在一起，由盐制成的框架可能具有与现有多孔材料不同的物理性质。另一个好处是，大多数有机盐是由丰富的元素组成的，所以不需要运用在许多MOF中的稀有或昂贵的金属。

 但是，尽管在过去的三十年中多次尝试制造多孔盐晶体，但它们的数量仍然很少，而且远不如MOF稳定。

 英国南安普顿大学的化学家Graeme Day是这项最新研究的共同作者之一，他说，部分原因是，从本质上从头开始设计盐框架更加困难。组成盐晶体的带电粒子之间的离子键不遵循与MOF关键的金属-有机键相同的几何规则，因此变化更大。这意味着“几乎不可能直观地预测这些晶体的不同成分将如何组合在一起”， Day说。

 ——模拟盐

 为了应对这一挑战，Day、英国利物浦大学的化学家Andy Cooper和他们的同事们转向了一种叫做晶体结构预测的计算技术。他们将此应用于如何从一种叫做卤化铵的盐中制造框架，其中带正电的连接物是含氮的氨化合物，带负电的节点是如氯离子或溴离子等的卤化物离子。

 作者采用该技术模拟了卤化物节点与各种类型的铵连接剂之间的复杂相互作用。这使得团队可以虚拟地筛选可能的框架，以确定在实验室中尝试制作的最佳候选框架。

 在这些计算的指导下，研究小组确定了称为TT、TTBT和TAPT的连接体，每一种连接体都有三个以氨基结尾的臂。模拟预测，这些连接体将形成稳定的框架，其孔隙的大小取决于连接体的大小。

 ——合成简单

 研究人员将选定的连接剂溶液混合，在室温下一滴一滴地加入盐酸或氢溴酸，制成了这种化合物。“一旦我们得到预测，合成就非常简单了，” Cooper说。通过一套高分辨率的测量，研究小组证实了合成材料的晶体结构与模拟预测的高度稳定的多孔结构相匹配。研究人员称这种材料为非金属有机框架。

 为了探索非金属有机框架的应用，研究人员测试了它们捕获碘的能力——这是一种非常理想的特性，因为核废料通常含有放射性碘。他们发现，这三种材料的性能与大多数MOF一样好或更好。

 渥太华大学的计算化学家Tom Woo说，碘吸收实验令人信服地证明了这种材料是如何变得非常有用的，尤其是考虑到它是如何容易合成的。

 华盛顿特区乔治城大学的化学家和材料科学家K. Travis Holman说，这些发现说明了计算预测和合成的结合具有“无与伦比”的能力。Woo和Holman都认为，这些方法为合理设计多孔盐框架开辟了一条新途径，并将加速材料的发展。

词汇表：

porous adj. 多孔的

elusive adj. 难以理解的

depicts v. 描绘

comprised v. 包含

chloride n. 氯化物

amine n. 氨基

studded v. 镶嵌

pore n. 气孔

cheaper adj. 成本低的

yielded v. 生产出了

capture v. 俘获

pollutant n. 污染物

modular adj. 模块化的

hub n. 轮毂

rod n. 棒

propelled v. 推动

analogous adj. 类似的

intrinsically adv.本质地

geometric adj. 几何的

intuitively adv. 凭直觉地

halides n. 卤化物

bromide n. 溴化物

suite n. 一套

iodine n. 碘

compelling adj. 令人信服的

illustrate v. 阐明

unparalleled adj. 无与伦比的

rational adj. 理性的

原文链接：https://doi.org/10.1038/d41586-024-01481-y