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研究背景

水是地球上最為特殊的液體之一，其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)主要來(lái)源于水分子之間復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這種氫鍵網(wǎng)絡(luò)在不同的熱力學(xué)條件下展現(xiàn)出異常的結(jié)構(gòu)和性能，尤其在納米尺度的約束下，水的行為表現(xiàn)出顯著的差異。

然而，盡管水的納米約束效應(yīng)被廣泛研究，當(dāng)前尚缺乏水分子在納米尺度下如何與材料表面發(fā)生相互作用的因果關(guān)系，這限制了納米結(jié)構(gòu)材料在水模板化等應(yīng)用中的進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，如何理解和調(diào)控納米約束環(huán)境中的水分子結(jié)構(gòu)，成為了水資源捕集、儲(chǔ)存及凈化等技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，科學(xué)家們?cè)诮饘儆袡C(jī)框架（MOFs）材料中開(kāi)展了系統(tǒng)研究，MOFs因其高度可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)親和力，成為研究水分子納米約束行為的理想平臺(tái)。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，根特大學(xué)Veronique Van Speybroeck教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Halogencarbene-free Ciamician-Dennstedt single-atom skeletal editing”的最新論文研究表明，MOFs中的小孔隙有助于水分子形成有序的水簇，且水分子在親水性吸附位點(diǎn)附近的聚集效應(yīng)明顯。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)吸附位點(diǎn)的空間分布，可以促進(jìn)更大水簇的形成，從而優(yōu)化水的吸附和網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程。

通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，研究人員能夠精確控制吸附位點(diǎn)的分布，揭示了納米約束和親水性吸附位點(diǎn)在水結(jié)構(gòu)形成中的重要性，為調(diào)控水分子結(jié)構(gòu)和行為提供了新的設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)。該研究不僅為納米約束水的應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向，也為MOFs材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論支持。

2024年5月23日，根特大學(xué)的 Veronique Van Speybroeck教授獲得了2024年法朗基精密科學(xué)獎(jiǎng)，以表彰她在催化的計(jì)算機(jī)建模方面做出的開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

此外，Veronique Van Speybroeck自2012年起擔(dān)任比利時(shí)根特大學(xué)全職教授，同時(shí)為比利時(shí)皇家學(xué)會(huì)院士。

今年，Veronique Van Speybroeck教授榮獲 “比利時(shí)諾貝爾獎(jiǎng)”，此獎(jiǎng)勵(lì)是享有盛譽(yù)的獎(jiǎng)項(xiàng)——法朗基獎(jiǎng)因其悠久的歷史和國(guó)際性。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次探討了鋯金屬有機(jī)框架（MOFs）中水分子的約束行為，得到了不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的顯著影響。通過(guò)系統(tǒng)地研究不同拓?fù)洹⒖讖胶突瘜W(xué)成分的MOFs，作者揭示了水分子在納米孔內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和水分子聚集的規(guī)律。

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比不同MOFs中的水吸附行為，發(fā)現(xiàn)小孔徑有利于水分子在親水性吸附位點(diǎn)的有序聚集。進(jìn)一步優(yōu)化二級(jí)吸附位點(diǎn)的位置，有助于在適度吸附條件下形成較大的水聚集體。

3. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立解析模型，明確了納米約束和親水性吸附位點(diǎn)在水分子聚集中的重要作用。該模型揭示了主、次吸附位點(diǎn)之間的相互作用，能夠有效控制水分子聚集與氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成，為水模板設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水在MOFs孔隙中的行為顯著偏離了體積水的特性，并通過(guò)模擬水的吸附等溫線，進(jìn)一步證明了水在具有不同親水性區(qū)域的MOFs中的吸附特性。

圖文解讀

圖1：本研究中所調(diào)查的鋯金屬有機(jī)框架（MOFs）結(jié)構(gòu)概述。

圖2：在不同MOFs中，水分子每個(gè)氫鍵的數(shù)量的概率分布。

圖3：不同MOFs中水分子氧原子之間的徑向分布函數(shù)（RDFs）。

圖4：不同約束環(huán)境下水密度的空間分布。

圖5：水分子在一個(gè)具有6??邊長(zhǎng)和四面體排列吸附位點(diǎn)的排斥性立方體盒子中被約束時(shí)的水吸附等溫線。

結(jié)論展望

本文的研究揭示了鋯基金屬有機(jī)框架（MOFs）對(duì)水分子在納米孔隙中行為的模板作用，提供了對(duì)水分子組織和納米約束環(huán)境中水的吸附特性深入的理解。研究表明，水的行為受到孔隙大小和結(jié)構(gòu)的顯著影響，較大的孔隙能夠恢復(fù)水的體相行為，而較小孔隙中的水則受到孔壁的塑造，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)提示了在設(shè)計(jì)納米孔材料時(shí)，孔隙大小和親水性吸附位點(diǎn)的重要性，尤其是在水簇的形成和吸附行為中的關(guān)鍵作用。此外，水的吸附能力不僅取決于孔隙的幾何形態(tài)，還與水分子間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)和二次吸附位點(diǎn)的形成密切相關(guān)。

因此，通過(guò)調(diào)節(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是親水性位點(diǎn)的分布，可以有效提升材料的水吸附容量，并保持適中的脫附能量，為大氣水收集等實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。總體而言，本文為納米孔材料的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，推動(dòng)了水吸附和分離技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Lamaire, A., Wieme, J., Vandenhaute, S.?et al.?Water motifs in zirconium metal-organic frameworks induced by nanoconfinement and hydrophilic adsorption sites.?Nat Commun?15, 9997 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/11/21/3ac4c8df0d/

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