超材料和有机金属有机框架

折纸是一种通常与儿童游戏相关的折纸过程，主要是折纸鹤，但它最近是一个令人着迷的研究课题。受折纸启发的材料可以实现传统材料难以实现的机械性能，材料科学家仍在分子水平上探索基于折纸镶嵌的此类构造。

在《自然通讯》杂志上发表的一份新报告中，EunjiJin和韩国蔚山国家科学技术研究所的化学和粒子加速研究小组描述了二维卟啉金属有机框架的开发，自-基于折纸镶嵌由锌节点和卟啉连接体组装而成。

该团队结合理论和实验结果，证明了以柔性连接器为枢轴点的二维卟啉金属有机框架的折纸机制。隐藏在二维金属有机框架内的二维镶嵌在分子水平上揭示了折纸分子。

折纸的数学和科学

折纸艺术，也称为折纸，现在已经超越了这个领域，扩展到了科学、工程、建筑和其他行业。折纸的应用范围正在扩大，例如太阳能电池、电子产品和生物医学设备。折纸的长度尺度也从米级发展到纳米级，与三浦折、双波纹面、吉村和方形图案等折纸棋盘格密切相关。每个折纸镶嵌图案都包含相似或重复的图案，尽管镶嵌图案是构建具有负泊松比的机械超材料的高度可部署的蓝图;一种奇异的机械性能。

尽管出现了各种受折纸启发的材料，但构建基于折纸镶嵌的分子材料仍然是一个挑战。材料科学家已经展示了如何使用金属有机框架开发折纸启发的材料，该框架作为一个理想的平台，具有几乎无限且可精致定制的独特功能。研究人员正在探索涉及镶嵌的几何形状，以揭示金属有机框架隐藏的动力学。

在这项新工作中，Jin和同事描述了基于折纸镶嵌的双波纹表面的金属有机框架，该框架由柔性卟啉连接体和锌桨轮二级构建单元组装而成。金属有机框架中揭示的热运动依赖于折纸力学来表现出不寻常的折叠行为。这种基于折纸镶嵌的金属有机框架很快就会成为一类活跃的新兴机械超材料。

揭示晶体结构

研究团队通过溶剂热反应开发出含有锌卟啉成分的PPF301晶体。这些晶体呈现淡紫色并呈矩形板状。在实验过程中，卟啉核心经历金属化，形成五配位锌离子。PPF-301的自组装二维层显示出具有柔性芳氧基的波纹结构，其中二维方形结构是由四位卟啉连接体构建的。研究小组观察了“合成的”PPF301折纸晶体样品的同步加速器粉末X射线衍射图，该图与模拟图非常匹配。由于双波纹表面具有高度可展开性，PPF301结构显示出基于灵活节点的折纸运动。

PPF301晶体的热响应和折纸镶嵌

Jin和团队通过在加速器实验室进行温度依赖性同步加速器单晶X射线衍射来测试PPF301晶体中可能的结构变化。在实验过程中，他们在密封毛细管中制备了晶体，并添加了少量溶剂以防止结晶度损失。晶体夹层的膨胀导致晶胞体积增加，虽然二维金属有机骨架中存在层间距的变化，但该材料的热膨胀系数明显高于许多二维金属有机骨架。

此外，材料的双波纹表面存在偏差，团队将实验与基于折纸镶嵌的机械模型进行了比较。然后，他们将超材料中折纸运动的起源精确定位为芳氧基的二面角和键角，这有助于形成PPF-301的二维折纸框架。

折纸超材料的机械性能

研究团队基于折纸运动研究PPF-301的力学性能，并进行量子力学计算以构建优化结构，然后计算该结构的总电子能量。他们使用弹性约束的最大值和最小值验证了材料的方向贡献。当研究小组施加机械应力时，运动伴随着芳氧基中二面角和键角的变化。

此前，材料科学家已经研究了几种具有异常特性的柔性金属有机框架，包括负线性压缩率和负泊松比。然而，尽管本研究中开发的材料的特征和性能适合其折纸超材料形式的行为，但生成二维柔性金属有机框架很困难。

外表

通过这种方式，EunjiJin和团队发现了动态晶体，彻底改变了固体作为非动态混凝土实体的一般观念。基于丰富的分子构件、有机连接体和金属节点，柔性金属有机框架表现出显着的转变。科学家们通过拓扑结构完成了这些构建块的局部运动，包括弯曲、扭曲和旋转行为。

他们揭示了具有灵活几何形状的金属有机框架的隐藏动态行为。研究团队保持了二维层固有的褶皱图案，开辟了具有机械性能的金属有机框架超材料的独特类别。通过根据外部刺激调节金属节点之间的距离，他们开发了适合折纸金属有机框架未来应用的先进分子量子计算过程。