[논문 리뷰] Self-assembled Frameworks Solid with Turbostratic Stacked Crystalline Layers -- A Frustrated 3D Crystal Lattice

H.-M. Qin, Jiahui Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 16.

Advanced ceramic materials synthesisMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 결정성 층의 터보스트라틱 스택을 가진 자기조립 3차원 프레임워크 재료를 소개하며, 그래핀의 강도의 약 ~1/60 수준으로 상호작용을 약화시켜 고통받는 결정 격자를 달성한다. 이로 인해 장거리 질서와 제어된 무질서를 동시에 가지는 물질이 나타나며, 결정과 유리 상태 사이의 중간 상태를 설계할 수 있는 새로운 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장거리 질서와 제어된 무질서를 동시에 가지는 고체 물질의 성질을 이해하기 위해.
• 결정 격자에 특정 유형의 무질서를 제어적으로 도입하는 데 도전하기 위해.
• 2차원 유사 프레임워크에서 계면 상호작용이 구조적 고통을 어떻게 규제하는지 탐구하기 위해.
• 공학적 계면 약화를 통해 불안정한 무질서한 결정 상태를 안정화하는 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• B-C-T-A 리간드와 Cu 노드를 사용하여 층상 2차원 프레임워크를 형성하는 자기조립 금속-유기 프레임워크의 합성.
• 터보스트라틱 스택을 특징으로 하는 결정성 층의 배열을 규명하기 위해 X선 회절 및 전자현미경 분석 수행.
• 구조적 및 열역학적 분석을 통해 계면 상호작용 강도를 측정하여, 그래핀의 값에 비해 약 ~1/60 수준으로 감소함을 확인.
• 회전 불일치 및 장거리 평면 주기성의 부재 등 고통받는 격자의 징후를 결정하기 위해 결정 격자 분석.
• 약한 계면 결합과 고통받는 3차원 질서의 발생 간 상관관계를 규명하기 위해 컴퓨터 모델링 수행.
• 계면 상호작용 강도의 역할을 분리하기 위해 기존의 층상 물질과의 구조적 특징 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 프레임워크에서 계면 상호작용을 체계적으로 약화시켜 제어된 무질서를 유도할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 자기조립 프레임워크에서 고통받는 3차원 결정 격자를 정의하는 구조적 특징은 무엇인가?
• RQ3 터보스트라틱 스택은 장거리 질서를 얼마나 깊이로 손상시키면서도 국소적 결정성을 유지하는가?
• RQ4 리간드 설계와 금속 노드 배치를 통해 3차원 프레임워크에서 불안정한 무질서한 결정 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ5 계면 상호작용 에너지와 격자 고통의 정도 사이의 정량적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 자기조립 프레임워크에서 계면 상호작용 에너지는 그래핀의 값에 비해 약 1/60 수준으로 감소하여 층 간 결합이 매우 약해졌음을 나타낸다.
• 물질은 결정성 층이 서로에 대해 회전된 상태로 배열된 터보스트라틱 스택 배열을 보이며, 장거리 주기성을 저해한다.
• 장거리 평면 질서가 없음에도 국소적 결정성이 유지됨을 통해 결정과 유리 상태 사이의 고유한 중간 상태임을 시사한다.
• Cu-노드 결합을 통해 3차원 프레임워크는 구조적 안정성과 장거리 연결성을 유지하며 무질서한 구조를 안정화한다.
• 서로 다른 상호작용 간의 경쟁이 완전한 질서를 방지하면서도 국소적 질서를 유지하는 고통받는 3차원 결정 격자를 나타낸다.
• 관찰된 구조적 특징은 조절 가능한 무질서를 가진 새로운 물질군의 존재를 시사하며, 결정성과 비정질 상태 사이의 갭을 메우는 데 기여한다.