一項(xiàng)由國際科研團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的Zui新研究揭示了一種調(diào)控新型玻璃性能的全新方法。該成果表明，基于金屬有機(jī)框架（MOFs）的新型玻璃在加工特性上與傳統(tǒng)硅酸鹽玻璃具有相似的可調(diào)性，這極大地簡(jiǎn)化了其制造工藝。該項(xiàng)目匯聚了英國伯明翰大學(xué)與德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家力量，旨在攻克此類先進(jìn)材料在工業(yè)化生產(chǎn)中的技術(shù)難題。

金屬有機(jī)框架是由金屬原子通過有機(jī)分子連接而成的多孔晶體材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠高效捕獲水分子以及二氧化碳、氫氣等氣體，近年來在能源存儲(chǔ)與環(huán)境治理領(lǐng)域備受矚目。然而，將這類晶體熔融轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)玻璃的過程一直面臨巨大挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過在原料中添加含有鈉或鋰的小型化合物，研究人員成功改變了這種玻璃的流變行為和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其能夠像傳統(tǒng)玻璃一樣被“工程化”設(shè)計(jì)。

突破高溫軟化瓶頸

這一發(fā)現(xiàn)的核心價(jià)值在于解決了金屬有機(jī)框架玻璃難以加工的關(guān)鍵痛點(diǎn)。通常情況下，這類材料僅在高于300攝氏度的極高溫下才會(huì)軟化，而這一溫度已接近其熱降解臨界點(diǎn)，導(dǎo)致制造過程極易損壞材料結(jié)構(gòu)，限制了其廣泛應(yīng)用。通過引入化學(xué)改性劑，研究人員成功降低了玻璃的軟化溫度，并優(yōu)化了其受熱時(shí)的流動(dòng)性。這意味著在更低的熱應(yīng)力條件下即可成型，從而為定制化高性能材料的規(guī)?；a(chǎn)鋪平了道路。

英國伯明翰大學(xué)的多米尼克·庫比茨基博士指出：“玻璃是人類文明數(shù)千年的重要組成部分，從古代美索不達(dá)米亞的器皿到現(xiàn)代光纖電纜，微量化學(xué)改性劑一直是提升玻璃加工性能的關(guān)鍵。然而，金屬有機(jī)框架玻璃此前因高溫軟化特性而難以處理。此次發(fā)現(xiàn)解鎖了未來高性能材料的新可能性。”

原子級(jí)解析與AI輔助建模

為了深入理解鈉添加劑如何改變玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的表征技術(shù)。伯明翰大學(xué)的·加蘭特博士與多米尼克·庫比茨基博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在英國高場(chǎng)固態(tài)核磁共振設(shè)施進(jìn)行了高溫固態(tài)核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)，并對(duì)改性后的玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原子級(jí)分析。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了鈉離子如何整合進(jìn)玻璃網(wǎng)絡(luò)并破壞其原有的連接性。

與此同時(shí)，由安德魯·莫里斯教授和馬里奧·翁基科博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用人工智能驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬來解讀復(fù)雜的核磁共振數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的模擬結(jié)果證實(shí)了實(shí)驗(yàn)觀察：鈉原子并非僅僅填充空隙，而是取代了部分鋅原子的位置，從而溫和地松動(dòng)了玻璃的整體結(jié)構(gòu)。這種微觀層面的調(diào)控，為材料設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

目前，Zui具代表性的金屬有機(jī)框架玻璃之一是ZIF-62。作為一種多孔材料，它在熔融冷卻成玻璃態(tài)時(shí)仍能保留部分內(nèi)部孔隙，使其在氣體分離、膜技術(shù)及催化領(lǐng)域極具吸引力。隨著對(duì)鈉改性機(jī)制的闡明，未來研究將聚焦于提高材料的穩(wěn)定性，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其性能，并在實(shí)際技術(shù)場(chǎng)景中驗(yàn)證其應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于中國新材料產(chǎn)業(yè)而言，這一突破具有顯著的啟示意義。中國在金屬有機(jī)框架材料的合成與應(yīng)用方面已具備較強(qiáng)基礎(chǔ)，但在非晶態(tài)轉(zhuǎn)化及精密加工技術(shù)上仍有提升空間。借鑒此類化學(xué)改性思路，結(jié)合國內(nèi)在人工智能材料模擬領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，有望加速高性能多孔玻璃從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，特別是在氣體分離膜和特種涂層等高附加值領(lǐng)域搶占技術(shù)高地。