science二維材料研究成果（Science有序）

2023-10-24 20:54:25 2

有序與無序，一直是一個哲學論題。無論是西方哲學的創世紀，還是東方神話故事盤古開天混沌初分，世界仿佛都在從無序走向有序。然而，身處其中，我們又總是感慨人生無常。在有序與無序的糾葛中，有的人痛苦，有的人迷茫，有的人向死而生，有的人鼓盆而歌。

圖片來源：B站《確實該聊聊》羅翔 & papi醬 & LKs [1]

從無序中尋找有序，也一直是科學家們研究的課題。1704年，法國發明家Sébastian Truchet描述了一種瓷磚平鋪方案 [2]。基本組成單元為沿對角線分成黑白兩個三角形的方形瓷磚，通過周期排列或非周期排列，可以得到看似有序或無序的不同圖案。

Truchet圖案。圖片來源：Wikipedia [3]

目前，Truchet圖案已有很廣泛的應用，例如周期性空間覆蓋、非對稱性裝飾、抽象策略遊戲、條形碼和二維碼、二進位信息存儲等等。

代表性的Truchet圖案及應用。圖片來源：Science

在化學及材料科學領域，晶體材料結構的特點是周期排列，長程有序，而無定形材料則是無序任意分布的。在這兩者之間，其實還有很多中間地帶。是否可以通過分子設計，像二維碼一樣，在看似無序的結構中創造出秩序，實現原子級的Truchet排列呢？

近日，英國牛津大學Andrew L. Goodwin和澳大利亞雪梨大學Cameron J. Kepert等研究者在Science 雜誌上發表論文，利用金屬-有機框架（MOF）在原子水平實現了複雜三維Truchet排列。他們合成了一種MOF材料（TRUMOF-1），晶體結構包含周期性排列的相同含鋅簇，同時含鋅簇以一種明確但無序的方式均勻連接，形成了在拓撲上非周期性的微孔網絡。該團隊認為，這種不尋常的結構歸因於其化學構築單元的幾何阻挫（geometric frustration）。網狀化學結構，將周期性和非周期性原子排列結合在一起，所包含的化學信息要豐富得多，或許可為功能材料的設計提供新的啟發。

由MOF單元連接形成的非周期性網絡結構示意圖。圖片來源：Science [4]

研究者設計的TRUMOF-1是一種由含鋅簇[OZn4]和1,3-苯二甲酸構成的MOF材料。其獨特之處在於，含鋅簇呈現周期性排列，而作為連接子（linker）的1,3-苯二甲酸卻呈現出近似隨機的排列，在整個晶體中以一種明確但無序的方式均勻連接，形成了一個非周期性的拓撲微孔網絡。換句話說，TRUMOF-1集有序與無序於一身，每個節點都是有序的，而微孔空間網絡則是無序的。正如Truchet瓷磚，儘管組成單元都完全相同，然而只需旋轉角度，就能排列出非周期拓撲結構。

TRUMOF-1的晶體結構。圖片來源：Science

X射線衍射表明，含鋅簇位於

立方晶胞的頂點和面心位置，形成有序晶格，而連接配體1,3-苯二甲酸則具有三種不同的取向。X射線漫散射經常用來表徵晶體材料中的無序結構，測試結果顯示出配體三種取向的平均狀態，結果與DFT模擬計算完全吻合。

TRUMOF-1晶體學表徵及計算模擬。圖片來源：Science

研究者嘗試使用原子探針層析和固態核磁共振技術進行表徵，然而非周期的網絡結構更像是一座迷宮，使解謎過程變得異常複雜。「我幾乎花了整個博士時間來了解這個結構」，本文一作Emily Meekel說 [5]。該工作「顯示出使用創造性思維來破譯複雜秩序的力量」，同期Science雜誌上的評論文章如是說 [4]。

無序的孔隙網絡結構。圖片來源：Science

Truchet-tile structure of a topologically aperiodic metal–organic framework

Emily G. Meekel, Ella M. Schmidt, Lisa J. Cameron, A. David Dharma, Hunter J. Windsor, Samuel G. Duyker, Arianna Minelli, Tom Pope, Giovanni Orazio Lepore, Ben Slater, Cameron J. Kepert, Andrew L. Goodwin

Science, 2023, 379, 357-361. DOI: 10.1126/science.ade5239

參考文獻：

[1] 【羅翔X papi醬X LKs】聊聊自己。28歲的我只有一碗粉…【確實該聊聊】

https://www.bilibili.com/festival/talktalk?bvid=BV1Wd4y1Q7PT&spm_id_from=333.337.search-card.all.click

[2] S. Truchet, Mémoir sur les combinasions. Mém. Acad. R. Sci. (Paris) 1704, 363-372.

[3] Truchet tiles

https://en.wikipedia.org/wiki/Truchet_tiles

[4] O. Yaghi & Z. Rong, Decoding complex order in reticular frameworks. Science 2023, 379, 330-331. DOI: 10.1126/science.adf0261

[5] Twitter

https://twitter.com/emilymeekel/status/1618896647551066112

（本文由小希供稿）