[論文レビュー] Self-assembled Frameworks Solid with Turbostratic Stacked Crystalline Layers -- A Frustrated 3D Crystal Lattice

H.-M. Qin, Jiahui Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2023

Advanced ceramic materials synthesisMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、結晶性層のターボストラチックスターリングを有する自己集合型3次元フレームワーク材料を導入し、層間相互作用をグラファイトの約1/60に弱める事で、断片的な結晶格子を実現した。その結果得られた材料は、制御された不規則性を有する長距離秩序を示し、結晶とガラスの間の中途状態を設計するための新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Solid materials possess both long-range order and some degree of disorder are critical for understanding the nature of crystal and glassy state, but how to controllable introduce specific type of disorder into a crystalline material is a big challenge. Our previous work indicated that weakening the inter-layer interaction is an effective strategy to import disorders between the layers.Here, we illustrated that the inter-layer interaction can be weakened to around 1/60 of that of graphite in the self-assembled material, a two-dimensions frameworks formed by B-C-T-A with Cu nodes, which has an obvious layered-structure.

研究の動機と目的

• 長距離秩序と制御された不規則性を併せ持つ固体材料の性質を理解すること。
• 結晶格子に特定の種類の不規則性を制御的に導入する課題に取り組むこと。
• 2次元的構造を有するフレームワークにおける層間相互作用が、構造的フレストレーションをどのように支配するかを明らかにすること。
• 設計された層間弱化を用いて、準安定的で不規則な結晶的状態を安定化する戦略を開発すること。

提案手法

• B-C-T-AリガンドとCuノードを用いて、3次元的連結性を有する層状2次元フレームワークを形成する自己集合型金属有機フレームワークの合成。
• X線回折および電子顕微鏡を用いて、結晶性層のターボストラチックスターリングを同定。
• 構造的および熱力学的解析により層間相互作用強度を測定し、グラファイトの値の約1/60にまで低下していることを示した。
• 回転歪みや面内での長距離周期性の欠如といった、フレストレーションの兆候を結晶格子において分析。
• 計算モデリングを用いて、弱い層間結合とフレストレーションを示す3次元的秩序の出現を相関づけた。
• 既知の層状材料と構造的特徴を比較し、層間相互作用強度の役割を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元フレームワークにおいて、層間相互作用を体系的に弱める方法は何か？ これにより制御された不規則性を誘発できるか？
• RQ2 自己集合フレームワークにおけるフレストレーションを示す3次元的結晶格子の構造的特徴は何か？
• RQ3 ターボストラチックスターリングは、長距離秩序をどの程度破壊するが、同時に局所的結晶性は保持するか？
• RQ4 リガンド設計と金属ノードの協堂を用いて、3次元フレームワーク内に準安定的で不規則な結晶的状態を安定化できるか？
• RQ5 層間相互作用エネルギーと格子フレストレーションの度合いとの間には、定量的関係があるか？

主な発見

• 自己集合フレームワークにおける層間相互作用エネルギーは、グラファイトの値の約1/60まで低下しており、層間結合が顕著に弱まっていることを示している。
• 材料はターボストラチックスターリング配列を示しており、結晶性層が互いに回転しているため、長距離周期性が破られている。
• 面内での長距離秩序が欠如しているにもかかわらず、局所的結晶性は保持されており、結晶とガラスの間の明確な中間状態を示している。
• Cuノードによる協堂により、3次元フレームワークは構造的整合性と長距離連結性を維持しており、不規則な構造を安定化している。
• 競合する相互作用が完全な秩序化を妨げるため、フレストレーションを示す3次元的結晶格子が観察されたが、同時に局所的秩序は保持されている。
• 観察された構造的特徴は、結晶的状態とアモルファス状態の間を橋渡しする、不規則性をチューニング可能な新規な材料群の存在を示唆している。