這些高度穩(wěn)定的金屬有機(jī)框架可用于捕獲溫室氣體等應(yīng)用。

被稱(chēng)為金屬有機(jī)框架（MOF）的材料具有剛性的籠狀結(jié)構(gòu)，適用于從氣體儲(chǔ)存到藥物輸送的各種應(yīng)用。通過(guò)改變材料中的構(gòu)建塊或排列方式，研究人員可以設(shè)計(jì)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(chǔ)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(kāi)發(fā)了一種計(jì)算方法，使他們能夠預(yù)測(cè)哪些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

利用他們的計(jì)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(lèi)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(shí)，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(shuō)?！拔覀兪褂脭?shù)據(jù)和我們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)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(shí)，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(guó)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(duì)MOFs感興趣，因?yàn)樗鼈兙哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)，非常適合涉及氣體的應(yīng)用，例如儲(chǔ)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(kāi)始探索使用它們?cè)隗w內(nèi)輸送藥物或成像劑。

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

“因?yàn)橛泻芏嗖煌?lèi)型的樂(lè)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(jī)框架材料的組合爆炸，”她說(shuō)?！澳憧梢酝ㄟ^(guò)挑選和選擇如何組裝不同的組件來(lái)真正控制金屬有機(jī)框架的整體結(jié)構(gòu)。

目前，設(shè)計(jì)MOF的常見(jiàn)方法是通過(guò)試錯(cuò)法。近，研究人員開(kāi)始嘗試計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)這些材料。大多數(shù)此類(lèi)研究都是基于對(duì)材料在特定應(yīng)用中的效果的預(yù)測(cè)，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(chǔ)存的非常好的MOF材料將具有非常開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，但是一旦擁有這種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可能很難確保該材料在長(zhǎng)期使用下也是穩(wěn)定的，”Kulik說(shuō)。

在 2021 年的一項(xiàng)研究中，Kulik 報(bào)告了一個(gè)新模型，該模型是她通過(guò)挖掘數(shù)千篇關(guān)于 MOF 的論文來(lái)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(jì)算機(jī)模型根據(jù)分子的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)這兩個(gè)特征 - 稱(chēng)為熱穩(wěn)定性和活化穩(wěn)定性。

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

通過(guò)使用大約750種不同類(lèi)型的架構(gòu)（包括許多通常不包含在此類(lèi)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(gè)新的MOF結(jié)構(gòu)。

“我們這套設(shè)備的獨(dú)特之處在于，我們觀察了比以往任何時(shí)候都多樣的晶體對(duì)稱(chēng)性，但[我們這樣做]使用這些僅來(lái)自實(shí)驗(yàn)合成的高度穩(wěn)定MOF的構(gòu)建塊，”Kulik說(shuō)。

超穩(wěn)定

然后，研究人員使用他們的計(jì)算模型來(lái)預(yù)測(cè)這50，000個(gè)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的穩(wěn)定性，并確定大約10，000個(gè)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(chǔ)存和釋放氣體的能力。在這項(xiàng)分析中，研究人員使用了甲烷氣體，因?yàn)椴东@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(guò)預(yù)測(cè)的彈性模量來(lái)衡量，它們?cè)跈C(jī)械上也很穩(wěn)定。

“設(shè)計(jì)MOF需要考慮多種類(lèi)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(cè)，”Nandy說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)了解這些材料的機(jī)械穩(wěn)定性，我們提供了一種識(shí)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(jí)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(gè)相互連接的環(huán)組成的大有機(jī)分子。

Kulik實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生現(xiàn)在正在合成其中一些MOF結(jié)構(gòu)，并在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)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(cè)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(kù)。

“這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的MOF結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于使用計(jì)算篩選來(lái)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(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究?！笆褂盟麄円郧伴_(kāi)發(fā)的機(jī)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(shí)際應(yīng)用的重要考慮因素。

該研究由美國(guó)國(guó)防研究計(jì)劃局、科學(xué)基金會(huì)研究生研究獎(jiǎng)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(guó)研究基金會(huì)資助。