陶军教授团队在磁性多孔材料研究中取得重要进展

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近日，北理工陶军教授团队在构筑柔性自旋交叉多孔材料方面取得进展，相关研究成果以“A spin-crossover framework endowed with pore-adjustable behavior by slow structural dynamics”为题目，在国际知名期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表（DOI：10.1038/s41467-022-31274-8）。北京理工大学为唯一作者单位，化学与化工学院陶军教授和姚子硕特别研究员为文章共同通讯作者，博士研究生薛金鹏为该论文的第一作者，化学与化工学院谢静教授在计算方面提供了帮助。
         主客体相互作用在实现材料的可切换结构与功能方面发挥着重要作用，但合理的设计与控制仍具有挑战。柔性金属有机框架材料（Flexible metal-organic frameworks, FMOFs）因其结构的可调节性和主客体相互作用的密切关联引起了研究者广泛的关注。在结构转变的过程中，金属中心的配位构型变化有可能导致材料磁学性质的变化。这种磁性多孔材料扩宽了多孔材料的应用前景，并且为主客体相互作用机理的理解提供了新的途径。
          该课题组在前期自旋交叉材料与柔性单晶材料等大量工作的研究基础上（ Inorg. Chem ., 2019, 58, 23, 15705–15709;  Inorg. Chem ., 2021, 60, 10, 7337–7344;  Nat. Commum. 2019, 10, 4805;  Nat. Commum. 2021, 12, 6908.），结合自旋交叉经典Hofmann结构类型，通过引入可以发生“踏板”运动的轴向配体，成功合成了一例具有特殊水吸附响应性质的柔性自旋交叉多孔材料。在吸附水的过程中，孔道结构可以从窄孔相转变为大孔相，而与其他柔性多孔材料不同的是，吸附过程中部分窄孔完全关闭，而部分孔道完全打开，即表现出吸附过程中局部孔道打开-关闭同时发生的特殊孔道重构行为。这种特殊的孔道结构变化直接反映在材料的吸附性质：窄孔相结构必须经过长时间水氛活化，才能完成孔道的打开；大孔相也只有经过长时间高温真空处理，才能转变为完全的窄孔相；而当材料同时具有两相结构特征时，孔道的打开/关闭可以快速发生。详细的单晶结构分析证实这一孔道变化是由于轴向配体的非均匀踏板运动与二维层状结构的皱折/展开导致的。通过对比单晶结构的转变，并结合两种孔结构不同水合状态的能量计算，作者对该结构变化的过程机理与主客体相互作用进行了深入的分析。与此同时，前后结构具有差异性的自旋交叉性质，即窄孔相结构表现出无平台的两步自旋交叉性质，而大孔相结构表现出大平台的两步自旋交叉性质，体现出两种结构与主客体相互作用的改变对自旋交叉性质的影响。
        该研究得到了国家自然科学基金（21971016, 92061106 and 22071009）以及北京理工大学创新人才科技资助专项计划的资助。

图1 水吸脱附诱导孔道结构的变化

图2 孔道结构变化对应的材料磁性变化

图3 不同活化条件下的吸附等温线、连续的水吸脱附循环和PXRD测试

          文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31274-8
          附北理工双稳态功能材料课题组简介：
         陶军，北京理工大学化学与化工学院特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事分子磁性与功能材料研究，在Chem. Soc. Rev. ,  Nat. Commun.,  J. Am. Chem. Soc. ,  Angew. Chem., Int. Ed. 等高水平学术期刊发表多篇学术论文。
         姚子硕，北京理工大学化学与化工学院特别研究员，日本九州大学博士、博士后，主要从事力、磁、电等多功能柔性分子基材料的研究工作，作为第一作者或通讯作者在 Nat. Chem., Nat. Commun. ,  J. Am. Chem. Soc. ,  Angew. Chem., Int. Ed. 等高水平期刊发表多篇学术论文。
         课题组主页：http://www.tao-lab.cn/


         文章来源：北京理工大学