科学网—科学家在玻璃熔化时改写了其原子结构
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2026-9-21 18:04
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科学家在玻璃熔化时改写了其原子结构
Fig.1 Researchers have found a way to alter the chemistry of MOF-derived glass while it is still molten, using a molecule that both lowers the melting temperature and reorganizes bonds around metal atoms. Credit: Shutterstock
据帕德博恩大学(UNIVERSITÄT PADERBORN / Paderborn University)2026年9月19日提供的消息( https://scitechdaily.com/scientists-rewrite-the-atomic-structure-of-glass-while-it-melts/ )，研究人员已经找到了一种方法，可以在金属有机框架(metal-organic framework简称MOF)衍生玻璃仍处于熔融状态时改变其化学性质，使用一种既能降低熔融温度又能重组金属原子周围键的分子。这表明研究人员现在可以在玻璃仍处于熔融状态时重写其化学性质，从而解锁曾经因极端高温而无法实现的特性。
来自多特蒙德大学（Dortmund University）、帕德博恩大学（Paderborn University）、杜伊斯堡-埃森大学(University of Duisburg-Essen)和牛津大学(University of Oxford)的一个团队开发了由金属有机框架（MOF）制成的玻璃的方法。相关研究结果已经在《自然材料》（Nature Materials）杂志发表——Reference: “Flux-mediated ligand exchange restructures metal–organic framework glasses” by Jan-Benedikt Weiß, Lorena Fritsch, Michele Tricarico, Anke Schoch, Soma Salamon, Wen-Long Xue, Chinmoy Das, Pascal Kolodzeiski, Heiko Wende, Jin-Chong Tan, Matthias Bauer and Sebastian Henke, 24 August 2026, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-026-02712-5 . https://www.nature.com/articles/s41563-026-02712-5
该技术使用有机分子来降低熔化温度，同时重新组织金属原子周围的键。这种双重作用解决了一个持续存在的制造问题。一些有前景的材料在熔化前会分解，留下可能干扰其有用性能的杂质。更温和地处理它们可以帮助科学家制造用于气体储存、电池、光学、催化、传感器和光电子的专用眼镜。
玻璃熔化时重写
“我们已经找到了一种方法，可以在制造过程中对来自所谓的金属有机框架化合物（简称MOF）的玻璃结构进行化学修饰，”领导这项研究的多特蒙德大学的Sebastian Henke教授解释道。关键成分是1,10-邻菲咯啉（1,10-phenanthroline），这是一种有机分子，当材料熔化时，它会改变金属原子的连接方式。
Henke教授解释说：“通常，当熔融液体快速冷却时，就会形成玻璃。然后，固体结构就会形成，而原子不会以规则的方式排列。到目前为止，研究人员经常不得不接受这些玻璃的化学性质是由原材料决定的。”与含有重复原子排列的晶体不同，玻璃将原子捕获在无序结构中。这种无序赋予了玻璃许多独特的特性，但也使其内部化学更难设计和研究。
MOF最初是由有机化合物连接的金属中心网络。当邻菲咯啉以液态引入时，它不仅仅占据空白空间。Henke教授继续说道：“关键在于，分子不仅仅是作为填料存在。它会进入反应。因此，我们正在改变化学性质，而此时材料仍然是液体。”
一个分子，两种功能
科学家们在加热前将邻菲咯啉与起始成分混合。Henke教授解释说：“作为助熔剂，该物质降低了材料熔化的温度；作为化学试剂，分子直接与金属原子结合，并部分取代旧键。在熔融状态下，分子会干扰所谓的配位环境。这个术语描述了单个原子周围有多少邻居。因为新分子与金属中心结合得更强，邻居的数量也会增加。”
这种相互作用重构了更宽的玻璃网络。通过改变邻菲咯啉的量，研究人员可以调整键的重组程度。这为他们提供了一种直接调整磁性和发光等特性的方法，而不是接受原始成分产生的任何结构。
较低的熔化温度同样重要。如果没有它，所研究的几种材料在形成玻璃之前就会分解。帕德博恩大学的Matthias Bauer教授解释说：“由于这种分子技巧，材料在显著较低的温度下熔化并保持稳定。对含钴玻璃的研究表明，这种温和的过程可以防止有害分解产物的形成。”消除这些杂质使研究小组能够观察到玻璃的固有磁性行为，否则污染可能会掩盖这种行为。
确认原子变换
证明原子已经重新排列需要能够检查没有重复晶体结构的材料的方法。Bauer教授解释说：“相反，我们使用了X射线吸收光谱等技术。这种方法使我们能够研究钴原子的周围环境。”
测量结果表明，即使其局部环境发生了实质性变化，钴原子仍保持相同的化学状态（氧化态）。换句话说，这个过程并没有改变原子的氧化态。它改变了与它们相连的相邻分子以及这些键的排列方式。
该团队还通过将其成功应用于所谓的基于羧酸盐的支架结构，证明了该技术不仅适用于单一材料家族。这种更广泛的兼容性表明，熔融化学可能成为设计具有定制行为的有机金属玻璃的通用策略。
将熔体转化为设计工具
Henke教授总结了其对未来的意义：“熔体不再是一种刚性的中间状态。它成为了一个反应空间，我们可以在其中对结构进行编程。”科学家们可以利用它作为构建新化学排列的机会，而不是仅仅将熔融视为固体成分和成品玻璃之间的步骤。
这种控制最终可能会导致为催化、化学传感和光电子中的特定作用而设计的眼镜。通过操纵单个金属中心周围的环境，研究人员可以开发出更精确地调节光、磁性或化学反应的组件。
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