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褶皱让金属有机框架薄膜不再“一拉就断、一掰就碎”

文章来源：中国科学报更新时间：2024-08-12 14:15:20

本报讯（记者崔雪芹）浙江大学化学工程与生物工程学院教授赵俊杰团队提出了一种全新的褶皱金属有机框架（MOF）薄膜，实现了薄膜制造过程与功能化集成的解耦，赋予了这类材料更具想象空间的应用方式，为其在分离膜、柔性电子等领域的集成应用开辟了新路线。近日，相关研究成果发表于《科学》。

MOF是一类新兴的多孔晶体材料，但MOF粉末难溶又难熔、薄膜又硬又脆，使这类材料成型加工极为困难。赵俊杰团队找到一种巧妙的方法，让MOF薄膜形成“褶皱”结构，在增加其活性表面的同时赋予其出色的形变能力，改变了MOF薄膜“一拉就断、一掰就碎”的命运。

受图灵理论的启发，研究团队提出限域界面合成的方法。他们在原子层沉积（ALD）的氧化锌表面添加聚合物覆盖层，构筑一个限域反应空间。在这个空间内，合成MOF的反应试剂自上而下扩散，氧化锌表面释放的碱性水解产物自下而上扩散，从而形成一组相向运动的化学行波。

研究团队在实验中通过改变反应试剂的浓度、聚合物覆盖层的厚度，制备出5类共13种图灵图案，获得了形貌可调的褶皱MOF薄膜。这些图案涵盖了经典的迷宫状条纹、点状、环状等多种图灵图案类型，与自然界中海鳗、箱鲀、豹等动物的斑纹十分相似。

引入褶皱结构不仅大幅增加了MOF薄膜的有效表面积，还赋予了MOF薄膜出色的柔韧性，使其能够承受高达53.2%的应变而不被破坏。而MOF本体能够承受的应变常常不超过0.3%。褶皱MOF薄膜优异的力学性能使MOF材料能像贴纸一样，轻松实现在不同基底之间的转移。研究人员将其转移到有机玻璃、多孔陶瓷、金属电极等多种基底上，发现薄膜的结构和性能得到完好保留。

通过这种灵活转移的加工方式，研究团队制备出基于MOF材料的气体分离膜，实现了氢气/二氧化碳的高效分离。他们还将褶皱MOF薄膜转移到柔性电极上，制造出可弯曲的湿度传感器。这两种应用场景展示了MOF薄膜即插即用的巨大潜力。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adn8168

《中国科学报》 (2024-08-12 第1版要闻)

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