[論文レビュー] Quantum chemical calculations to elucidate the electronic and elastic properties of topologically equivalent metal organic frameworks

Mo Xiong, Neng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ab initio量子化学計算を用いて、トポロジカルに同等の金属有機フレームワークZIF-4、ZIF-62、TIF-4の電子的および弾性特性を調査した。低さのヤング率および剪断率、顕著な弾性異方性、負のポisson比の領域、および負の線形圧縮率が明らかになった。これらの特性は、有機リーダーの置換に強く影響を受ける。

ABSTRACT

We have theoretically investigated the elastic properties of three topologically identical zeolitic imidazolate frameworks: ZIF-4, ZIF-62 and TIF-4, by means of ab initio calculations. The ZIFs are a subset of metal organic frameworks (MOFs), whose versatile functionality is providing exciting opportunities in solid state science. Understanding the relationship between structure and elastic properties of hybrid materials is making it possible to develop a new generation of functional materials. In this work we have determined the bulk ($K$), shear ($G$) and Young's moduli ($E$), together with Poisson's ratio($\upsilon$), and the universal elastic anisotropy index ($A$$^{ extbf{U}}$) from the computed elastic coefficients. Tensorial analysis of the elastic constants reveals unusual and highly anisotropic elastic behaviour. All three materials exhibit low Young's and shear moduli. In addition, their flexibility incorporates regions of negative Poisson's ratio (NPR) and negative linear compressibility (NLC). The elastic properties of these ZIF crystals are are affected by the substituted organic linkages.

研究の動機と目的

• トポロジカルに同一の金属有機フレームワーク（MOFs）における構造と弾性特性の関係を理解すること。
• 有機リーダーの変化がゼオリティックイミダゾラートフレームワーク（ZIFs）の機械的挙動に与える影響を調査すること。
• ZIF-4、ZIF-62、TIF-4における体積弾性率（K）、剪断弾性率（G）、ヤング率（E）、ポisson比（ν）、およびユニバーサル弾性異方性指数（A^U）を特定すること。
• これらのフレームワークに、負のポisson比や負の線形圧縮率といった異常な機械的応答が存在するかを検討すること。

提案手法

• ZIF-4、ZIF-62、TIF-4の弾性定数を計算するために、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 計算された弾性定数を用いて、体積弾性率（K）、剪断弾性率（G）、ヤング率（E）、ポisson比（ν）、およびユニバーサル弾性異方性指数（A^U）を導出した。
• 弾性定数のテンソル解析を実施し、異方的機械的挙動を評価した。
• トポロジカルに同等のMOFsにおける機械的応答に及ぼす異なる有機リーダーの影響を分析した。
• ひずみ応答解析を通じて、機械的不安定性および負のポisson比や負の線形圧縮率といった異常な挙動を評価した。
• 既存の弾性理論および対称性の検討に基づく一貫性チェックにより、結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のトポロジーを有するにもかかわらず、トポロジカルに同等のZIFsの弾性特性はどのように異なるのか？
• RQ2 有機リーダーの置換がZIFsの機械的挙動をどのように調整するのか？
• RQ3 これらのZIFsは、負のポisson比や負の線形圧縮率といった異常な機械的挙動を示すのか？
• RQ4 ZIF-4、ZIF-62、TIF-4の弾性特性はどの程度異方的であり、その異方性の起源は何か？
• RQ5 導出された弾性率および異方性指数は、これらのMOFsの本質的機械的挙動をどの程度反映しているのか？

主な発見

• ZIF-4、ZIF-62、TIF-4の3つのZIFとも、低ヤング率および低剪断率を示しており、高い柔軟性を示している。
• 高いユニバーサル弾性異方性指数（A^U）により、強い弾性異方性が確認された。
• すべての3つのフレームワークに負のポisson比（NPR）領域が存在し、これは補助的挙動（auxetic behavior）を示している。
• 負の線形圧縮性（NLC）が観察され、特定の方向では静水圧下で体積が拡張することが示された。
• トポロジカルに同等であっても、有機リーダーの性質が弾性特性に顕著な影響を与えることがわかった。
• 弾性定数のテンソル解析により、剛性および変形の方向依存性を示す顕著な異方的機械的応答が確認された。