科学家使用计算建模来设计超稳定材料

被称为金属有机框架(MOF)的材料具有刚性的笼状结构，适用于从气体储存到药物输送的各种应用。通过改变材料中的构建块或排列方式，研究人员可以设计出适合不同用途的MOF。

然而，并非所有可能的MOF结构都足够稳定，可以部署用于催化反应或储存气体等应用。为了帮助研究人员确定哪些MOF结构最适合给定的应用，麻省理工学院的研究人员开发了一种计算方法，使他们能够预测哪些结构最稳定。

利用他们的计算模型，研究人员已经确定了大约10，000种可能的MOF结构，他们将其归类为“超稳定”，使其成为将甲烷气体转化为甲醇等应用的良好候选者。

“当人们提出假设的MOF材料时，他们不一定事先知道这种材料的稳定性，”麻省理工学院化学和化学工程副教授，该研究的资深作者Heather Kulik说。

“我们使用数据和我们的机器学习模型来提出预期具有高稳定性的构建块，当我们以更加多样化的方式重新组合它们时，我们的数据集富含比以前任何一组假设材料更高的稳定性人们想出的材料。

麻省理工学院研究生Aditya Nandy是该论文的主要作者，该论文今天发表在《物质》杂志上。其他作者是麻省理工学院博士后Shuwen Yue，研究生Changhwan Oh和Gianmarco Terrones，Chenru Duan博士'22和釜山国立大学化学和生物分子工程副教授Yongchul G. Chung。

MOF 建模

科学家们对MOFs感兴趣，因为它们具有多孔结构，非常适合涉及气体的应用，例如储气，将相似气体彼此分离或将一种气体转化为另一种气体。最近，科学家们也开始探索使用它们在体内输送药物或成像剂。

MOF的两个主要组成部分是二级建筑单元 - 结合锌或铜等金属原子的有机分子 - 和称为接头的有机分子，连接二级建筑单元。这些部件可以通过许多不同的方式组合在一起，就像乐高积木一样，Kulik说。

“因为有很多不同类型的乐高积木以及组装它们的方法，它引起了不同可能的金属有机框架材料的组合爆炸，”她说。“你可以通过挑选和选择如何组装不同的组件来真正控制金属有机框架的整体结构。

目前，设计MOF的最常见方法是通过试错法。最近，研究人员开始尝试计算方法来设计这些材料。大多数此类研究都是基于对材料在特定应用中的效果的预测，但它们并不总是考虑到所得材料的稳定性。

“用于催化或气体储存的非常好的MOF材料将具有非常开放的结构，但是一旦拥有这种开放式结构，可能很难确保该材料在长期使用下也是稳定的，”Kulik说。

在 2021 年的一项研究中，Kulik 报告了一个新模型，该模型是她通过挖掘数千篇关于 MOF 的论文来创建的，以查找有关给定 MOF 分解温度的数据，以及特定 MOF 是否能够承受去除用于合成它们的溶剂所需的条件。她训练计算机模型根据分子的结构预测这两个特征 - 称为热稳定性和活化稳定性。

在这项新研究中，Kulik和她的学生使用该模型识别了大约500个具有非常高稳定性的MOF。然后，他们将这些MOF分解为最常见的构建块 - 120个二级建筑单元和16个链接器。

通过使用大约750种不同类型的架构(包括许多通常不包含在此类模型中的架构)重新组合这些构建块，研究人员生成了大约50，000个新的MOF结构。

“我们这套设备的独特之处在于，我们观察了比以往任何时候都多样的晶体对称性，但[我们这样做]使用这些仅来自实验合成的高度稳定MOF的构建块，”Kulik说。

超稳定

然后，研究人员使用他们的计算模型来预测这50，000个结构中的每一个的稳定性，并确定大约10，000个他们认为超稳定的热稳定性和活化稳定性。

他们还筛选了结构的“可交付能力”，即衡量材料储存和释放气体的能力。在这项分析中，研究人员使用了甲烷气体，因为捕获甲烷可能有助于将其从大气中去除或转化为甲醇。他们发现，他们确定的10，000种超稳定材料具有良好的甲烷交付能力，并且通过预测的弹性模量来衡量，它们在机械上也很稳定。

“设计MOF需要考虑多种类型的稳定性，但我们的模型能够对热稳定性和活化稳定性进行近乎零成本的预测，”Nandy说。“通过了解这些材料的机械稳定性，我们提供了一种识别有前途的材料的新方法。

研究人员还确定了某些倾向于生产更稳定材料的构建块。稳定性最好的二级建筑单元之一是含有钆(一种稀土金属)的分子。另一种是含钴的卟啉 - 一种由四个相互连接的环组成的大有机分子。

Kulik实验室的学生现在正在合成其中一些MOF结构，并在实验室中测试它们的稳定性和潜在的催化能力和气体分离能力。研究人员还向有兴趣测试超稳定材料用于自身科学应用的研究人员提供了超稳定材料的数据库。