一个由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）化学家Omar Yaghi领导的国际合作已经开发出一项被称为“气体吸附结晶”的技术，为研究金属有机骨架（MOFs）-具有超大内表面积的三维晶体-如何存储巨大体积的气体例如二氧化碳、氢气和甲烷，提供了新的途径。这种对MOFs材料的新视角导致了一个发现，可促进专门用于碳捕获或者氢气和天然气（甲烷）燃料用途的MOFs材料的设计改进。

“到现在为止，我们一直在盲目的进行MOFs材料的设计，并没有真正理解为什么MOF比其他材料更好的根本原因，” Yaghi说。 “我们的新研究通过引入气 - 气相互作用以及实现气体高存储容量的主要因素超晶格组织结构，扩展了我们对MOF的看法和思考。”

Yaghi，于20世纪90年代初在亚利桑那州立大学发明了MOFs材料，现在是伯克利材料科学部实验室和加州大学（UC）伯克利分校化学系的教师科学家，他还兼任卡弗里能源纳米科学研究所（Kavli-ENSI）的联合负责人。在这个最新的研究中，Yaghi和斯德哥尔摩大学的化学家Osamu Terasaki，以及来自美国、中国、韩国和沙特阿拉伯机构的合作者，连接了气体吸附装置与原位小角度X射线散射仪（SAXS）（X射线晶体学的一种形式）。结果发现了一种气体吸附结晶学技术，揭露了MOF内气体分子之间的协同相互作用。

 “这些气 - 气相互作用导致高度有组织的行为，导致气体形成约为40纳米大小的聚集体，” Yaghi说。 “这些聚集体是排列有序的超晶格结构，这与MOFs材料对气体分子的吸附是随机发生的普遍看法形成鲜明的对比。”

Yaghi和Terasaki是这项已发表在《自然》杂志上的研究的通讯作者。文章的题目是“金属有机框架中的额外吸附和吸附超晶格的形成。”主要作者是Hae Sung Cho，Hexiang Deng和Keiichi Miyasaka。其他共同作者是Zhiyue Dong，Minhyung Cho，Alexander Neimark和Jeung Ku Kang。

由于Yaghi的原创发明，数千种不同类型的MOFs被创造出来。一个典型的MOF是由形成高度多孔三维晶体骨架的有机分子包围在金属氧化物周围形成的。基于这个基础结构的变体几乎是无限的并且可定制，因此一种MOF的孔可吸附特定的气体分子，使得MOFs材料成为潜在的理想气体储存容器。

“一克的MOF具有高达10000平方米的表面积，因此在没有通常压缩气体存储所需的高压和低温条件下，也可以将气体分子紧凑的塞进MOF的孔隙中，就像蜂窝中有那么多的蜜蜂，” Yaghi如是说。

一个MOF的选择性和吸收能力是由被吸附气体分子的性质及其与MOF成分间的相互作用决定的。虽然气体分子与MOF内表面的相互作用及在单个孔中自身的相互作用已被广泛研究，而横穿MOF孔壁的气 - 气相互作用直到现在还没有被探讨。

利用他们基于的SAXS的气体吸附晶体学技术，Yaghi、Terasaki和他们的合作者发现由孔隙填充诱发的MOF内局部应变可引起集体的、远程的气 - 气相互作用，导致在几个孔中延伸的超晶格的形成。

 “我们能够在介孔MOF-74系列的5个成员中跟踪吸附分子、描绘其分布情况并排出顺序，以及整个吸附 - 脱附等温线，” Yaghi说。 “在所有情况下，我们发现，填充孔隙的毛细管冷凝引起外吸附域的形成，其跨越几个相邻的孔并比非域孔有更高的吸附物密度。”

Yaghi说，下一步是将这种新的气体吸附结晶学技术应用于其他可作为气体存储容器的多孔分子系统，如共价有机骨架（COFs）和沸石咪唑骨架（ZIFs）。

“我们希望得到不同气体是如何在多孔材料内部互动作用的全面认识，” Yaghi说。 “然后我们将这个数据提供给计算机模型以完善气体吸附的理论。”

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶      校正：摩天轮