“不正常”的MOF：《Nature》报道具有奇特吸附性质的金属有机框架材料

金属有机框架（MOF）是近年来得到广泛重视的一种新型材料，其纳米多孔结构的孔洞大小、形状、功能都可调控，这样就能实现多种其他材料无法企及的功能。例如，以可控的方式储存以及释放气态或液态化合物，这对于气体分离、氢气储存甚至靶向药物递送都有重要意义。

一般来说，MOF的吸附能力会随着压力、温度甚至光照而变化。在正常情况下，外界压力越大，其吸附的物质越多，直到达到饱和。然而，最近《Nature》报道了德国德累斯顿工业大学教授Stefan Kaskel为首的德国和法国研究团队研发的一种“不正常”的MOF材料，名为DUT-49，它的吸附性质堪称奇特：当压力增加到一定程度后，这种材料会突然收缩，并“吐出”之前已经吸附的气体。这种气-固相互作用的新现象被Kaskel等人命名为负性气体吸附（negative gas adsorption, NGA）。（A pressure-amplifying framework material with negative gas adsorption transitions. Nature, DOI: 10.1038/nature17430）

DUT-49三维结构示意图。图片来源：Technische Universität Dresden

DUT-49由碳骨架和铜原子通过自组装而形成，是一种极为多孔的粉末——每1克这种材料的内表面积为5000平方米！所以DUT-49能够吸附相当于其重量三分之一的甲烷。

扫描隧道显微镜下的DUT-49晶体。图片来源：Technische Universität Dresden

研究人员在测试DUT-49的气体吸附性质时，意外地发现了这种负性气体吸附现象。当压力增加到一定程度后，材料突然收缩并释放之前已吸附的气体，进而进一步提高整个系统的压力。一开始研究人员们还以为是仪器发生了故障，因为数以百万计的其他能吸附气体的材料中没有一种会表现的如此“不正常”。然而，接下来的进一步原位粉末X-射线衍射以及气体吸附试验及模拟，确认了这种负性气体吸附现象的确存在。

负性气体吸附现象视频（建议WIFI环境观看）

该团队也已经能够描述其机制：存储在DUT-49孔洞中的气体分子与其固体结构产生了很强的相互作用；随着吸附的气体量增加，这种相互作用会干扰该DUT-49中的原子排列，并最终导致其收缩。这个特殊的吸附行为已经被丁烷和甲烷的测试所证实，预计也适用于其他气态化合物。

图片来源：Technische Universität Dresden

DUT-49这种“不正常”的吸附性质，开辟了研究这种弹性多孔MOF材料及其独特性能的新研究领域，可能会促进救生器材、纳米开关、纳米传感器等等应用领域的研发。

1. http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17430.html

2. https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/wissenschaftler-der-tu-dresden-erforschen-neues-phaenomen-im-bereich-der-poroesen-materialien-veroeffentlichung-in-nature