科學(xué)技術(shù)的革新和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)于新材料的進(jìn)步,其中COFs材料配體為由有機(jī)單體通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵相互連接而形成的一類(lèi)新型晶態(tài)多孔聚合物材料,近年來(lái)在諸多潛在應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始嶄露頭角。當(dāng)前,材料基因組計(jì)劃(MGI)正以一種嶄新的材料研發(fā)模式,其中一個(gè)重要的挑戰(zhàn)在于融合高通量計(jì)算技術(shù),基于材料基因組學(xué)理念構(gòu)筑出具有豐富拓?fù)漕?lèi)型和孔道化學(xué)性質(zhì)的龐大結(jié)構(gòu)空間,以用于識(shí)別優(yōu)質(zhì)的可能材料,為實(shí)驗(yàn)研究人員提供理論指導(dǎo),進(jìn)而達(dá)到提高新材料研發(fā)效率和降低人力物力成本的目標(biāo)。 該材料基因組學(xué)構(gòu)筑方法可高效率地組裝出COF結(jié)構(gòu),滿(mǎn)足高通量計(jì)算材料設(shè)計(jì)與篩選的需求,促進(jìn)COFs材料配體新結(jié)構(gòu)的定向合成。
該工作中材料基因組學(xué)研究思路的第①步是建立用于COF結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的基因庫(kù)。MOFs通常采用有機(jī)配體和金屬鹽溶液進(jìn)行合成,其中即使采用相同的兩者,最終所合成材料的次級(jí)無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型取決于反應(yīng)合成條件,很難提前進(jìn)行預(yù)測(cè)。與此不同,COF合成是基于有機(jī)單體(或分子)的縮聚反應(yīng),并且單體的原始構(gòu)象基本上仍會(huì)保持在所得材料結(jié)構(gòu)中。考慮到這一特征,該工作提出一個(gè)命名為“遺傳結(jié)構(gòu)單元”(GSUs)的材料基因概念,它是通過(guò)模仿COF材料自然生長(zhǎng)過(guò)程,衍生得到的帶有反應(yīng)位點(diǎn)信息的結(jié)構(gòu)單元,因此具有遺傳性,進(jìn)而建立了一個(gè)包含130種GSUs的材料基因庫(kù),并將其分成連接中心、配體和官能基團(tuán)三種類(lèi)型。
為了方便地生成各種COF結(jié)構(gòu)和提高組裝成功率,該構(gòu)筑方法采用三種不同的幾何定位方式來(lái)連接各種GSU中預(yù)先設(shè)定的反應(yīng)位點(diǎn),并針對(duì)2D材料的大規(guī)模構(gòu)筑,提出一種“自適應(yīng)算法”來(lái)解決如何設(shè)置材料層間距的問(wèn)題。
該工作不僅為高通量材料構(gòu)筑提供了有用的方法和工具,而且可為如何基于材料基因組學(xué)思想進(jìn)行新材料開(kāi)發(fā)給予借鑒,有助于材料研發(fā)模式的變革,使材料開(kāi)發(fā)更環(huán)保和高效。
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