近日，2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)浇視裕谟柙诮饘儆袡C(jī)框架領(lǐng)域作出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家：日本科學(xué)家北川進(jìn)、澳大利亞科學(xué)家理查德?羅布森與美國(guó)科學(xué)家奧馬爾?亞吉，他們的工作從理論到應(yīng)用，共同奠定了這一革命性材料領(lǐng)域的基石。
金屬有機(jī)框架材料（metal-organic frameworks，MOFs），又名多孔配位聚合物（如圖1）。這一被譽(yù)為“分子樂高"的材料體系，以其可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特性展現(xiàn)出無限可能。通過選擇不同的金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體這一“積木單元"，科學(xué)家能夠構(gòu)建出具有超高比表面積、可調(diào)孔道尺寸與特定化學(xué)環(huán)境的定制化結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)上的精準(zhǔn)可調(diào)性，催生了MOFs在氣體存儲(chǔ)與分離、仿生催化、藥物靶向遞送、化學(xué)傳感及水處理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為解決全球能源、環(huán)境和健康挑戰(zhàn)提供了全新的材料平臺(tái)。
圖1 MOF結(jié)構(gòu)示意圖（圖源 納微快報(bào)）
然而，MOFs的性能表現(xiàn)與其微觀結(jié)構(gòu)特征密切關(guān)聯(lián)。無論是ZIF系列的高效儲(chǔ)氫能力，還是UiO-66的優(yōu)秀催化活性，都高度依賴于其晶體尺寸、形貌和元素分布等微觀特征。掃描電子顯微鏡（SEM）憑借其獨(dú)特的納米級(jí)形貌解析能力，成為MOFs研究必要的工具。當(dāng)SEM與能量色散X射線光譜（EDS）聯(lián)用時(shí)，更可構(gòu)建“形貌-成分"一體化分析體系，為深入理解MOFs的構(gòu)效關(guān)系提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。
掃描電子顯微鏡是表征金屬-有機(jī)框架晶體尺寸、形貌及元素組成的關(guān)鍵技術(shù)。由于MOF材料的不穩(wěn)定性，以常規(guī)方式觀察 MOF材料是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)MOF材料對(duì)電子束輻照極為敏感，在常規(guī)成像模式下，MOF材料的結(jié)構(gòu)會(huì)被立即破壞變?yōu)榉蔷?，從而無法得到其孔道和有機(jī)框架的原子排列結(jié)構(gòu)信息。因此，如何在無損傷的條件下以高分辨率和高信噪比在實(shí)空間中對(duì)作為典型電子束敏感材料之一的 MOF材料的結(jié)構(gòu)直接成像是SEM技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)之一。多數(shù)MOFs為絕緣材質(zhì)，SEM觀測(cè)時(shí)易因電荷積累導(dǎo)致圖像失真，通過結(jié)合能量色散X射線光譜，可對(duì)MOF中金屬元素的分布與摻入進(jìn)行定性與半定量分析。
在具體應(yīng)用層面，MOFs材料展現(xiàn)出優(yōu)秀的性能潛力，下面以沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）為例進(jìn)行介紹。這種具有規(guī)則菱形十二面體形貌的材料，憑借其可調(diào)孔徑、高孔隙率、良好生物相容性及優(yōu)異穩(wěn)定性，在吸附分離、氣體存儲(chǔ)、催化轉(zhuǎn)化和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。
圖2 ZIF-8及其衍生物的合成策略、氣體傳感機(jī)理與應(yīng)用
（圖源 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院）
通過惠然場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的高質(zhì)量成像，我們可以清晰觀察到ZIF-8晶體呈現(xiàn)高度均一的菱形十二面體形貌（圖3、4）。該SEM圖像清晰地揭示了ZIF-8材料高度規(guī)整的納米晶特性。這種均一的菱形十二面體形貌是其實(shí)現(xiàn)高效氣體吸附、分子篩分及作為藥物載體等功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖3、4 惠然“風(fēng)系列"場(chǎng)發(fā)射電鏡拍攝ZIF-8沸石咪唑酯骨架SEM圖像（圖3樣品在5.0kv加速電壓下采集，圖4樣本在8.0kv加速電壓下采集）
展望未來，MOFs研究正從精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邁向復(fù)雜的功能集成新階段。我們期待見證智能MOFs在精準(zhǔn)醫(yī)療、高效能源系統(tǒng)及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的突破性應(yīng)用，并推動(dòng)其規(guī)?；苽浼夹g(shù)的成熟。與此同時(shí)，惠然科技也將憑借其在材料領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，致力于為科研工作者提供洞察微觀世界的“慧眼"，助力他們?cè)诟黜?xiàng)研究領(lǐng)域中持續(xù)取得突破，共同開創(chuàng)材料科學(xué)與人類未來的新篇章。
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
會(huì)員.png)
1
立即詢價(jià)
您提交后，專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)