新一代智能材料：通过声波打造

金属有机框架（MOF），是由有机配体和金属离子或团簇，通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。

MOF的分子结构（图片来源：TonyBoehleWikimedia）

MOF是一种令人难以置信的多功能、超多孔的纳米材料，可用于存储、分离、释放或者保护几乎所有的东西。MOF具有以下重要特性：多孔性及表面积大、结构和功能多样性、不饱和金属位点。这些特性使它具有强大的吸附功能和催化功能。

MOF预计将成为定义21世纪的材料。它非常适合感知与捕捉微量浓度的物质，净化水或空气；也可以存储大量能量，制造更好的电池以及能量存储器件。

由MOF材料做成的水分采集装置（图片来源：HyunhoKim/麻省理工学院）

科学家们设计了超过8万8千种精准定制的MOF，应用范围包含从农业到药物的各个领域。但是，制造MOF的传统工艺是环境上不可持续的，并且需要花费几小时甚至几天的时间。

创新

近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMITUniversity）的研究人员向我们演示了一项绿色洁净的技术，该技术可以在几分钟内生产出定制的MOF。相关论文发表在《自然通信（NatureCommunications）》期刊上。

论文领导作者赫伯·艾哈迈德（HebaAhmed）表示，这种高效且可扩展的方法利用了高频声波的精准能力。

赫伯·艾哈迈德博士手持由高频声波创造出的MOF（图片来源：RMIT）

技术

金属有机框架是充满分子尺寸的微洞的晶体粉末。它们拥有独特的结构（金属通过有机联接桥相互连接），并且具有非常多的孔，以至于如果你拿起一克MOF，将其内表面铺开，其面积将比一个足球场更大。

某种MOF的原理图。图中线条是有机连接桥，交叉点是金属离子。黄球代表孔隙空间，可充满液体或气体。（图片来源：伯克利实验室）

有些人预测，MOF对于21世纪的重要性，如同塑料对于20世纪的重要性。

在标准的生产过程中，溶剂与其他污染物陷入MOF的洞中。为了将它们从洞中排出来，科学家们在一个称为“活化”的过程中，使用了真空和高温的结合或者有害化学溶剂。

在新技术中，皇家墨尔本理工大学的研究人员采用了微芯片以制造高频声波。论文合著者之一、声学专家阿姆贾德·瑞史克（AmgadRezk）博士表示，这些声波对于人类来说是无法听到的，可以用于精准的微纳制造。

瑞史克表示：“在纳米级别，声波是原子和分子进行精准排序和操控的强大工具。”

MOF的“成分”（一个金属前体以及一个绑定的有机分子），被暴露于微芯片产生的声波中。

研究人员采用声波将这些元素组织和连接到一起，创造出一种高度有序且多孔的网络，同时将这些溶剂从洞中排出来以“活化”MOF。

首席研究研究员、特聘教授莱斯利·叶（LeslieYeo）表示，这种新方法制造出具有空洞和大表面积的MOF，无需合成后的“活化”。

皇家墨尔本理工大学微/纳物理学研究实验室主任、化工系的叶教授表示：“现有技术从合成到活化通常需要花费很长时间，而我们的技术不仅几分钟内就可以生产出MOF，而且它们是已激活的，并能直接应用。”

声学方式制造的MOF，利用微芯片制造高频声波。（图片来源：RMIT）

研究人员通过可扩展应用于其他MOF以及高效绿色地生产这些智能材料的技术，在基于铜和铁的MOF上成功地测试了这个方案。

价值

皇家墨尔本理工大学微/纳物理学研究实验室的博士后研究员艾哈迈德表示：“MOF具有无限的潜能，但是我们需要更加洁净和快速的合成技术，从而充分利用他们的所有优势。”

“我们的声学驱动方法避免了传统方法所带来的环境危害，并能快速、可持续地制造随时可用的MOF。”

“这项技术不仅消除了制造MOF过程中最耗时的步骤，而且不留痕迹，可以经过简单扩展后进行高效量产。”