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柔性集成在金属有机框架(MOFs)中有着广泛的应用。然而，目前的配置受到MOF载荷和机械顺应性之间权衡的影响。
2024年8月8日，浙江大学赵俊杰团队（第一作者为2021级硕士研究生罗昕宇）在Science在线发表题为“Wrinkled metal-organic framework thin films with tunable Turing patterns for pliable integration”的研究论文，该研究报道了MOF薄膜的皱褶结构，建立了一种由聚合物面涂层限制和控制的界面合成方法，并在皱褶薄膜中实现了多个图灵基元。
这些薄膜具有完全的MOF表面覆盖，并具有高达53.2%的应变容差。增强的机械性能允许薄膜转移到各种基材上。还获得了具有高H2/CO2选择性(41.2)和高H2渗透率(8.46 × 103气体渗透单位)的膜，转移后的缺陷可以忽略。研究人员还通过避免暴露在恶劣的MOF合成条件下，在精密电极上实现了软湿度传感器。这些结果突出了褶皱MOF薄膜在即插即用集成方面的潜力。
释放金属有机框架(MOFs)的全部潜力需要与最大暴露的活性表面集成。这对于膜、电子和生物医学设备等多种应用至关重要。然而，一个基本的权衡是存在的:增加表面上的MOF质量分数不可避免地会损害机械性能，导致材料更硬、更脆。由于MOFs固有的低断裂应变，先前尝试解决这一挑战，特别是在薄膜结构中，都面临着局限性。当与可变形的基材配对时，这些结构特别脆弱，通常在微小的应变下导致裂纹和失效。该研究报告了MOF薄膜的皱褶结构。可变形结构赋予增强的应变容限，与平面结构相比，褶皱提供了额外的暴露表面。与在其他无机材料中产生褶皱结构的常见方法不同，开发了一种利用扩散驱动不稳定性来产生褶皱MOF薄膜的合成方案。两种试剂在扩散速率上的显著差异可能导致不稳定性，从而导致局部激活和远程抑制。产生的产物浓度的时空分布是产生起皱表面所需要的。具有图灵图案的MOF薄膜的褶皱配置，以实现即插即用集成（图源自Science）在合成中使用了一种聚合物面漆(PEBAX2533;(软聚醚嵌段和刚性聚酰胺嵌段的嵌段共聚物)为沉积在ZnO表面的原子层(ALD)上的界面反应提供了一个受限的场所同时控制MOF共试剂[Cu(NO3)2和三甲基酸]向聚合物-Zno界面的扩散。在这个密闭空间内，从ZnO表面释放的碱性水解产物向上扩散，并引发快速的HKUST-1 [Cu3(BTC)2，其中BTC在暴露于共试剂时生成苯1,3,5-三羧酸盐]，提供必要的短程活化。形成的MOF核和纳米颗粒阻碍了反应物的扩散，满足了图灵模式的抑制条件。数学模型预测，调整试剂浓度和聚合物面漆的厚度可以有效地改变反应扩散条件，从而实现多种类型的图灵图案。因此，该研究通过实验探索了这两个参数，并获得了具有可调谐图灵图案的褶皱MOF薄膜。这种起皱的MOF薄膜可以很容易地转移到各种基底上，用于气体分离膜和软传感器等应用。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8168
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