這些高度穩(wěn)定的金屬有機框架可用于捕獲溫室氣體等應(yīng)用。

被稱為金屬有機框架（MOF）的材料具有剛性的籠狀結(jié)構(gòu)，適用于從氣體儲存到藥物輸送的各種應(yīng)用。通過改變材料中的構(gòu)建塊或排列方式，研究人員可以設(shè)計出適合不同用途的MOF。

然而，并非所有可能的MOF結(jié)構(gòu)都足夠穩(wěn)定，可以部署用于催化反應(yīng)或儲存氣體等應(yīng)用。為了幫助研究人員確定哪些MOF結(jié)構(gòu)適合給定的應(yīng)用，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種計算方法，使他們能夠預(yù)測哪些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

利用他們的計算模型，研究人員已經(jīng)確定了大約10，000種可能的MOF結(jié)構(gòu)，他們將其歸類為“超穩(wěn)定”，使其成為將甲烷氣體轉(zhuǎn)化為甲醇等應(yīng)用的良好候選者。

“當(dāng)人們提出假設(shè)的MOF材料時，他們不一定事先知道這種材料的穩(wěn)定性，”麻省理工學(xué)院化學(xué)和化學(xué)工程副教授，該研究的作者Heather Kulik說?！拔覀兪褂脭?shù)據(jù)和我們的機器學(xué)習(xí)模型來提出預(yù)期具有高穩(wěn)定性的構(gòu)建塊，當(dāng)我們以更加多樣化的方式重新組合它們時，我們的數(shù)據(jù)集富含比以前任何一組假設(shè)材料更高的穩(wěn)定性人們想出的材料。

麻省理工學(xué)院研究生Aditya Nandy是該論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在《物質(zhì)》雜志上。其他作者是麻省理工學(xué)院博士后Shuwen Yue，研究生Changhwan Oh和Gianmarco Terrones，Chenru Duan PhD ' 22和釜山國立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程副教授Yongchul G. Chung。

MOF 建模

科學(xué)家們對MOFs感興趣，因為它們具有多孔結(jié)構(gòu)，非常適合涉及氣體的應(yīng)用，例如儲氣，將相似氣體彼此分離或?qū)⒁环N氣體轉(zhuǎn)化為另一種氣體。近，科學(xué)家們也開始探索使用它們在體內(nèi)輸送藥物或成像劑。

MOF的兩個主要組成部分是二級建筑單元 - 包含鋅或銅等金屬原子的有機分子 - 以及稱為接頭的有機分子，連接二級建筑單元。這些部件可以通過許多不同的方式組合在一起，就像樂高積木一樣，Kulik說。

“因為有很多不同類型的樂高積木以及組裝它們的方法，它引起了不同可能的金屬有機框架材料的組合爆炸，”她說?！澳憧梢酝ㄟ^挑選和選擇如何組裝不同的組件來真正控制金屬有機框架的整體結(jié)構(gòu)。

目前，設(shè)計MOF的常見方法是通過試錯法。近，研究人員開始嘗試計算方法來設(shè)計這些材料。大多數(shù)此類研究都是基于對材料在特定應(yīng)用中的效果的預(yù)測，但它們并不總是考慮到所得材料的穩(wěn)定性。

“用于催化或氣體儲存的非常好的MOF材料將具有非常開放的結(jié)構(gòu)，但是一旦擁有這種開放式結(jié)構(gòu)，可能很難確保該材料在長期使用下也是穩(wěn)定的，”Kulik說。

在 2021 年的一項研究中，Kulik 報告了一個新模型，該模型是她通過挖掘數(shù)千篇關(guān)于 MOF 的論文來創(chuàng)建的，以查找有關(guān)給定 MOF 分解溫度的數(shù)據(jù)，以及特定 MOF 是否能夠承受去除用于合成它們的溶劑所需的條件。她訓(xùn)練計算機模型根據(jù)分子的結(jié)構(gòu)預(yù)測這兩個特征 - 稱為熱穩(wěn)定性和活化穩(wěn)定性。

在這項新研究中，Kulik和她的學(xué)生使用該模型識別了大約500個具有非常高穩(wěn)定性的MOF。然后，他們將這些MOF分解為常見的構(gòu)建塊 - 120個二級建筑單元和16個鏈接器。

通過使用大約750種不同類型的架構(gòu)（包括許多通常不包含在此類模型中的架構(gòu)）重新組合這些構(gòu)建塊，研究人員生成了大約50，000個新的MOF結(jié)構(gòu)。

“我們這套設(shè)備的獨特之處在于，我們觀察了比以往任何時候都多樣的晶體對稱性，但[我們這樣做]使用這些僅來自實驗合成的高度穩(wěn)定MOF的構(gòu)建塊，”Kulik說。

超穩(wěn)定

然后，研究人員使用他們的計算模型來預(yù)測這50，000個結(jié)構(gòu)中的每一個的穩(wěn)定性，并確定大約10，000個他們認(rèn)為超穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性和活化穩(wěn)定性。

他們還篩選了結(jié)構(gòu)的“可交付能力” - 衡量材料儲存和釋放氣體的能力。在這項分析中，研究人員使用了甲烷氣體，因為捕獲甲烷可能有助于將其從大氣中去除或轉(zhuǎn)化為甲醇。他們發(fā)現(xiàn)，他們確定的10，000種超穩(wěn)定材料具有良好的甲烷交付能力，并且通過預(yù)測的彈性模量來衡量，它們在機械上也很穩(wěn)定。

“設(shè)計MOF需要考慮多種類型的穩(wěn)定性，但我們的模型能夠?qū)岱€(wěn)定性和活化穩(wěn)定性進(jìn)行近乎零成本的預(yù)測，”Nandy說。“通過了解這些材料的機械穩(wěn)定性，我們提供了一種識別有前途的材料的新方法。

研究人員還確定了某些傾向于生產(chǎn)更穩(wěn)定材料的構(gòu)建塊。穩(wěn)定性的二級建筑單元之一是含有釓（一種稀土金屬）的分子。另一種是含鈷的卟啉 - 一種由四個相互連接的環(huán)組成的大有機分子。

Kulik實驗室的學(xué)生現(xiàn)在正在合成其中一些MOF結(jié)構(gòu)，并在實驗室中測試它們的穩(wěn)定性和潛在的催化能力和氣體分離能力。研究人員還向有興趣測試超穩(wěn)定材料用于自身科學(xué)應(yīng)用的研究人員提供了超穩(wěn)定材料的數(shù)據(jù)庫。

“這項工作中開發(fā)的MOF結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫對于使用計算篩選來尋找靶向應(yīng)用的新MOF的研究人員非常有用，”西北大學(xué)化學(xué)和生物工程教授Randall Snurr說，他沒有參與這項研究。“使用他們以前開發(fā)的機器學(xué)習(xí)方法，他們能夠?qū)Ｗ⒂谏煽赡芫哂懈叻€(wěn)定性的MOF結(jié)構(gòu)，這是實際應(yīng)用的重要考慮因素。

該研究由美國國防研究計劃局、科學(xué)基金會研究生研究獎學(xué)金、海軍研究辦公室、能源部、麻省理工學(xué)院葡萄牙種子基金和韓國研究基金會資助。