图 几何学指导构筑无晶格缺陷的分离膜
在国家自然科学基金项目（批准号：22038006、21921006）等资助下，南京工业大学金万勤团队联合海外学者在几何学指导构筑完美分离膜晶格孔方面取得进展。研究成果以“金属有机骨架分子筛膜的晶格缺陷消除策略（Eliminating lattice defects in metal-organic framework molecular-sieving membranes）”为题，于2023年5月11日发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01541-0。
分子/离子的分离在能源、环境、水资源、化工等领域占有举足轻重的地位，膜分离技术在其中发挥节能增效的关键作用。金属有机骨架（MOF）作为新一代分子筛膜材料，其完美晶格孔的制备仍面临挑战。
上述团队通过数学、化学、材料等多学科交叉研究，发现几何学中的球致密堆积问题（也被称为著名的“吻数Kissing Number”问题，由17世纪科学家开普勒和牛顿相继提出）可为指导构筑完美的MOF晶格及分离膜提供新思路。据此，他们提出了高概率理论配位策略，建立了预测晶格缺陷的概率模型，通过调控有机配体和金属团簇间的碰撞概率，成功构筑了无晶格缺陷的分离膜。基于超低剂量高分辨透射电子显微成像技术，直接观察到调控前的MOF膜晶格缺陷及调控后的完美晶格结构。无晶格缺陷的MOF膜在水分子与离子、气体分子、有机共沸物等重要分离体系中展现出优异的分子尺度筛分性能。
该研究工作实现了完美MOF膜晶格孔的制备，为精确调控晶格缺陷，构筑亚纳米限域空间及分子传输通道提供了新路径，为多学科交叉创制先进材料提供了可能的范式。