[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出一种自组装三维框架材料，其晶态层呈扭曲堆叠结构，通过将层间相互作用减弱至石墨强度的约1/60，实现自旋玻璃态晶体点阵。该材料展现出具有可控无序性的长程有序，为实现晶体与玻璃态之间的中间状态提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 理解兼具长程有序与可控无序特性的固态材料的本质。
• 解决在晶态框架中可控引入特定类型无序的挑战。
• 探究层间相互作用如何调控具有三维连接性的二维类框架中的结构受挫。
• 开发一种通过工程化层间弱化来稳定亚稳态、无序晶态结构的策略。

提出的方法

• 利用B-C-T-A配体与Cu节点合成一种自组装金属有机框架，形成具有三维连接性的层状二维框架。
• 采用X射线衍射与电子显微镜表征晶态层的扭曲堆叠结构。
• 通过结构与热力学分析测量层间相互作用强度，显示其降低至石墨值的约1/60。
• 分析晶体点阵中受挫的迹象，包括旋转错位及面内长程周期性的缺失。
• 利用计算模拟关联弱层间耦合与受挫三维有序的出现。
• 与已知层状材料的结构特征进行对比，以分离层间相互作用强度的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地减弱二维框架中的层间相互作用，以诱导可控无序？
• RQ2 在自组装框架中，何种结构特征可定义受挫的三维晶体点阵？
• RQ3 扭曲堆叠在在多大程度上破坏长程有序性，同时保持局域结晶性？
• RQ4 能否通过配体设计与金属节点配位，在三维框架中稳定亚稳态、无序的晶态结构？
• RQ5 层间相互作用能与点阵受挫程度之间存在何种定量关系？

主要发现

• 该自组装框架中的层间相互作用能降低至石墨的约1/60，表明层间耦合显著减弱。
• 材料表现出扭曲堆叠排列，即晶态层相对于彼此发生旋转，破坏了长程周期性。
• 尽管面内缺乏长程有序性，局域结晶性仍被保留，表明其为晶体与玻璃态之间的独特中间状态。
• 通过Cu节点配位，三维框架维持了结构完整性和长程连通性，稳定了无序架构。
• 该体系表现出受挫的三维晶体点阵，其中竞争性相互作用阻止了完全有序，同时保持了局域有序。
• 观察到的结构特征表明，此类材料构成一类具有可调无序性的新材料，弥合了晶态与非晶态之间的鸿沟。