被称为金属有机框架 (MOF) 的材料具有刚性的笼状结构，适用于从气体储存到药物输送的各种应用。通过改变材料中的构件或它们的排列方式，研究人员可以设计出适合不同用途的MOF。

然而，并不是所有可能的MOF结构都足够稳定，可以用于催化反应或储存气体等应用。为了帮助研究人员找出哪些MOF结构可能最适合特定的应用，麻省理工学院的研究人员开发了一种计算方法，使他们能够预测哪些结构最稳定。

使用他们的计算模型，研究人员已经确定了大约10000 种可能的MOF结构，他们将这些结构归类为“超稳定”，使其成为将甲烷气体转化为甲醇等应用的良好候选者。

麻省理工学院化学和化学工程副教授、该研究的资深作者Heather Kulik说：“当人们提出假设的MOF材料时，他们不一定事先知道这种材料的稳定性，我们使用数据和机器学习模型来构建预期具有高稳定性的构建块，当我们以更加多样化的方式重新组合这些构建块时，我们的数据集中的材料比人们以前提出的任何一组假设材料都具有更高的稳定性。”

麻省理工学院研究生Aditya Nandy是这篇论文的主要作者，该论文发表在《物质》杂志上。其他作者包括麻省理工学院博士后Shuwen Yue、研究生Changwan Oh和Gianmarco Terrones，Chenru Duan博士，以及釜山国立大学化学和生物分子工程副教授Yongchul G.Chung。

建模金属有机框架（MOF）

科学家们对MOF很感兴趣，因为它们具有多孔结构，这使得它们非常适合涉及气体的应用，例如气体储存、将类似气体彼此分离或将一种气体转化为另一种气体。最近，科学家们也开始探索利用它们在体内输送药物或显像剂。

MOF的两个主要成分是二级构建单元——包含锌或铜等金属原子的有机分子——以及连接二级构建单元的称为连接体的有机分子。Kulik说，这些部件可以通过多种不同的方式组合在一起，就像乐高积木一样。

研究人员说：“由于有太多不同类型的乐高积木和组装方式，因此可能会出现不同金属有机框架材料的组合爆炸式增长，通过挑选和选择组装不同组件的方式，您可以真正控制金属有机框架的整体结构。”

目前，设计MOF最常见的方法是通过反复试验。最近，研究人员开始尝试使用计算方法来设计这些材料。大多数此类研究都是基于对材料在特定应用中的工作情况的预测，但它们并不总是考虑所得材料的稳定性。

研究人员说：“一种用于催化或储气的真正好的MOF材料会有一个非常开放的结构，但是，一旦你有了这种开放的结构后，可能很难确保这种材料在长期使用下也是稳定的。”

在2021的一项研究中，研究人员报告了一个新模型，她通过挖掘数千篇关于MOF的论文来创建该模型，以找到关于特定MOF分解温度的数据，以及特定MOF是否能够承受去除用于合成它们的溶剂所需的条件。她训练计算机模型，根据分子的结构预测这两个特征，即热稳定性和活化稳定性。

在这项新的研究中，Kulik和她的学生使用该模型识别了大约500个具有非常高稳定性的MOF。然后，他们将这些MOF分解为最常见的构建块——120个二级构建单元和16个连接单元。

通过使用大约 750 种不同类型的架构（包括许多通常不包含在此类模型中的架构）重新组合这些构建块，研究人员生成了大约 50000 个新的MOF结构。

超稳定性

然后，研究人员使用他们的计算模型来预测这 50000 个结构中每个结构的稳定性，并确定了大约 10000 个他们认为超稳定的结构，包括热稳定性和活化稳定性。

他们还对这些结构的“可交付能力”进行了筛选，即衡量材料储存和释放气体的能力。在这项分析中，研究人员使用了甲烷气体，因为捕获甲烷可能有助于将其从大气中去除或转化为甲醇。他们发现，他们确定的10000种超稳定材料对甲烷具有良好的输送能力，而且通过预测的弹性模量测量，它们在机械上也很稳定。

研究人员说：“设计MOF需要考虑多种类型的稳定性，但我们的模型能够对热稳定性和活化稳定性进行近乎零成本的预测。通过了解这些材料的机械稳定性，我们为识别有前景的材料提供了一种新的方法。”

研究人员还确定了某些倾向于生产更稳定材料的构件。具有最佳稳定性的二级结构单元之一是含有稀土金属钆的分子。另一种是含钴卟啉——一种由四个相互连接的环组成的大有机分子。

该研究由美国国防高级研究计划局、国家科学基金会研究生研究奖学金、海军研究办公室、能源部、麻省理工学院葡萄牙种子基金和韩国国家研究基金会资助。

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