新加坡国立大学曾开阳教授研究组：金属有机框架纳米尺度的力学和压铁电性能研究
作为新兴的无机和有机的杂化材料，金属有机框架（英语：Metal Organic Framework，缩写：MOF）是一种由有机配体配位的金属原子或原子簇构成一维、二维或三维的结构。通常，大多数关于 MOF 的研究集中在其在气体储存，分离，纯化以及催化方面的应用，而对其力学性能，压电和铁电性质的报导却很少。事实上，大多数遇水稳定的诸如 Zr / Hf / Cr 基的 MOFs 只能制备在纳米尺度范围（50-1000nm）以内的微晶颗粒。包括纳米压痕在内的常用力学测试方法对这样小尺寸的微晶粉末变得不再适用。此外，由于有机配体和金属簇的可调性以及内部主- 客体相互作用，理论上 MOF 可以具备铁电，磁性和多铁性，然而，诸如铁电分析仪等宏观的测试方法并不适用于 MOF 材料。
近期，新加坡国立大学机械工程系曾开阳教授的纳米尺度多场耦合表征研究组发表了采用双频（振幅调制-频率调制 （AM-FM））原子力显微镜技术以及压电力显微镜技术 （PiezoresponseForce Microscope 或 PFM）对 UiO-66 型和 NUS-6 型 MOF 的力学，压电，铁电性质进行定量化表征的工作：课题组与新加坡国立大学化工与生物分子工程系赵丹教授合作，尝试将 UiO-66型 MOF 颗粒悬浮液超声分散并附着在硅片基底上，并用 AM-FM 进行直接的纳米力学定量化成像表征。结果表明 UiO-66-Hf 型 MOFs 的弹性模量高于 UiO-66-Zr 型 MOFs（图 1）, 并且两者都比文献报道中锌/铜基 MOFs 的弹性模量高。
除此之外，可以通过调节配体的化学官能团或使用不同的金属原子对 MOF 的力学性能进行调控。数量多而排布致密的官能团可以提升 MOF 的力学性能，这个结果极有可能是与 MOF 的原子密度的增加有关。这些结果为 MOF 微晶的力学测量铺平了道路，并为设计具有高机械性能的 MOF 提供了一个切入点。相关研究结果发表在2017 年新一期的 ACS Applied Materials & Interfaces 杂志上。
在另一项研究中，研究组通过使用双频共振追踪压电力显微镜技术（DART-PFM）和压电响应谱（PFS）技术对 NUS-6 型 MOFs 微晶的压电和铁电特性进行了表征。 在室温下，NUS-6-Hf 微晶表现出比 NUS-6-Zr 更强的压电响应（图 2）和更优异的铁电极化行为，这是由于配位键 HfO键比 Zr-O 键的极性强。值得注意的是，NUS-6-Hf 的极化（PR）（图 2）环路曲线与某些具有高电能密度和小残留极化，并具有能量应用的合成聚合物的 PR 环路相似。研究结果还表明，通过选择金属原子可以对 MOF 的铁电性质进行调节，选择金属原子形成更强极性的配位键能够在不对称晶格中形成电子结构。本研究旨在使用先进的扫描探针显微术探索 MOF 的铁电性能，并设计新的基于 MOF 材料的铁电体。相关研究结果发表在 2017 年新一期 Nanoscale杂志上。
这两篇文章的第一作者均为曾开阳教授研究组的三年级博士生孙瑶。这项工作得到新加坡教育部对新加坡国立大学的学术研究资助（AcRF）R-265-000-495-112 和（AcRF）R-279-000-429-112。并受到新加坡国立大学（CENGAS R-261-508-001-646）的财政支持。
论文信息及链接：
Sun, Y.; Hu, Z. G.; Zhao, D.*; Zeng, K. Y.* Mechanical properties of microcrystalline metal-organicframeworks (MOFs) measured by bimodal amplitude modulated-frequency modulated atomic forcemicroscopy, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b06809.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b06809
Sun, Y.; Hu, Z. G.; Zhao, D.*; Zeng, K. Y.* Probing nanoscale functionalities of metal-organicframework nanocrystals, Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR04245K.
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr04245k#!divAbstract
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