“超材料”是指人工合成的一类能展示出天然材料所不具备特性的新材料，包括具有隐身特性的光学超材料、呈现“左手特性”的电磁学超材料和实现“热缩冷涨“效应的机械超材料等。其中，能够展现出质轻高强特性的机械超材料尤其受到人们的关注。此类材料的开发通常基于拓扑学原理设计和3D打印增材制造技术制备，然而受限于现有3D打印技术的精度，制备尺寸在1µm以下的纳米机械超材料仍是一大难题。
金属有机框架（MOF）作为一类由金属离子团簇通过有机分子键连组装而成的周期性多孔材料，因其极高的比表面积和孔隙率，在气体储存分离、非均相催化和化学传感等领域都有着广泛用途。从分子层面来看，其链状有机分子通过与金属离子团簇配位所形成的周期性框架有着与“超材料”网格类似的周期性拓扑结构。同时，该类拓扑结构还可以通过配体与金属的排列组合进行设计和调节。因此，能否通过化学设计和分子自组装这种“分子砌块”的策略来制备具有特定拓扑结构的纳米尺度“超材料”成为了值得探究的问题。加之有机分子与金属离子团簇间较强的键合，此策略能否作为一种全新途径来构建尺寸在1µm以下的纳米机械超材料同样值得研究。近日，物质学院张洪题团队与李涛团队通力合作，使用微纳米力学研究方法在电子显微镜内对一类使用“分子砌块”策略合成的“超轻”（密度小于水）MOF中空颗粒的机械性能进行了原位的定量研究。实验发现，样品尺寸对MOF颗粒的屈服强度、杨氏模量和比强度都有着显著影响，呈现出类似于“Hall-Petch关系”的“愈小愈强”尺寸效应。研究表明，此类低密度空心MOF的屈服强度达到了580 MPa，与钢铁相当。其比强度（单位质量所具有的强度）更是达到了达0.68 GPa g-1 cm3，能媲美当今增材制造领域内如玻璃碳网格（glassy carbon nanolattice, GCN）等机械超材料。通过对尺寸在百纳米级别的MOF颗粒的机械性能和形变机制的系统性原位实验和理论分析研究，本工作使人们对MOF材料的力学特性有了更直观、清晰的认识和理解，同时展现了通过分子砌块和化学合成手段制备纳米尺度“超材料”的可能性。
图1，中空UiO-66MOF颗粒作为多级网格材料的合成设计策略以及与先进机械超材料的力学性能对比
该成果以 “Exploration of Hierarchical Metal-Organic Framework as Ultralight, High-Strength Mechanical Metamaterials” 为题发表于国际知名期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。上科大物质学院2019级硕士研究生邢毓蕊为第一作者，物质学院张洪题教授、李涛教授和北京航空航天大学胡大勇教授为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该工作获得了物质学院电镜中心、上海科技大学启动经费、上海市科委和国家自然科学基金委的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11136
