[논문 리뷰] Quantum chemical calculations to elucidate the electronic and elastic properties of topologically equivalent metal organic frameworks

Mo Xiong, Neng Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 20.

Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 상위적으로 동일한 금속 유기 프레임워크(ZIF-4, ZIF-62, TIF-4)의 전자적 및 탄성 성질을 ab initio 양자화학 계산을 통해 조사한다. 낮은 양의 모odulus와 전단 모odulus, 뚜렷한 탄성 이방성, 음의 푸아송 비율 영역, 음의 선형 압축성 등 특이한 기계적 거동이 드러나며, 이러한 성질은 유기 리간드 치환에 의해 강하게 영향을 받는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상위적으로 동일한 금속 유기 프레임워크(MOFs)에서 구조와 탄성 성질 간의 관계를 이해하기 위해.
• 제올리티크 이미다졸레이트 프레임워크(ZIFs)의 기계적 거동에 미치는 유기 리간드 변형의 영향을 조사하기 위해.
• ZIF-4, ZIF-62, TIF-4에서 부피 모odulus(K), 전단 모odulus(G), 양의 모odulus(E), 푸아송 비율(ν), 통합 탄성 이방성 지수(A^U)를 결정하기 위해.
• 이들 프레임워크에서 음의 푸아송 비율 및 음의 선형 압축성과 같은 이례적인 기계적 거동의 존재를 탐색하기 위해.

제안 방법

• ZIF-4, ZIF-62, TIF-4의 탄성 상수를 계산하기 위해 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하였다.
• 계산된 탄성 상수를 바탕으로 부피 모odulus(K), 전단 모odulus(G), 양의 모odulus(E), 푸아송 비율(ν), 통합 탄성 이방성 지수(A^U)를 유도하였다.
• 탄성 상수의 텐서 분석을 수행하여 이방성 기계적 거동을 평가하였다.
• 상위적으로 동일한 MOFs에서 다양한 유기 리간드가 기계적 거동에 미치는 영향을 분석하였다.
• 변형-응답 분석을 통해 기계적 불안정성 및 음의 푸아송 비율, 음의 선형 압축성과 같은 이례적 행동을 평가하였다.
• 기존 탄성 이론 및 대칭 고려사항과의 일관성 검증을 통해 결과의 타당성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 동일한 위상 구조를 가진 ZIFs의 탄성 성질은 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ2 유기 리간드 치환은 ZIFs의 기계적 거동 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이들 ZIFs는 음의 푸아송 비율 또는 음의 선형 압축성과 같은 이례적인 기계적 거동을 보이는가?
• RQ4 ZIF-4, ZIF-62, TIF-4의 탄성 성질은 얼마나 이방성이 강한가? 이러한 이방성의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ5 유도된 탄성 모odulus와 이방성 지수는 이 MOFs의 본질적 기계적 거동을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• ZIF-4, ZIF-62, TIF-4는 모두 낮은 양의 모odulus와 전단 모odulus를 나타내어 높은 유연성을 보인다.
• 높은 통합 탄성 이방성 지수(A^U)로 인해 강한 탄성 이방성이 나타난다.
• 모든 세 프레임워크에서 음의 푸아송 비율(NPR) 영역이 존재하여 보조성 행동을 나타낸다.
• 음의 선형 압축성(NLC)이 관찰되어 특정 방향에서 수압을 받을 경우 부피가 팽창한다.
• 탄성 성질은 위상적 동일성에도 불구하고 유기 리간드의 성질에 의해 크게 영향을 받는다.
• 탄성 상수의 텐서 분석을 통해 뚜렷한 이방성 기계적 거동이 확인되었으며, 강성과 변형의 방향성 의존성이 뚜렷하다.