本文来自微信公众号:XMOLNews 有序与无序,一直是一个哲学论题。无论是西方哲学的创世纪,还是东方神话故事盘古开天混沌初分,世界仿佛都在从无序走向有序。然而,身处其中,我们又总是感慨人生无常。在有序与无序的纠葛中,有的人痛苦,有的人迷茫,有的人向死而生,有的人鼓盆而歌。 图片来源:B站《确实该聊聊》罗翔papi酱LKs〔1〕 从无序中寻找有序,也一直是科学家们研究的课题。1704年,法国发明家SbastianTruchet描述了一种瓷砖平铺方案〔2〕。基本组成单元为沿对角线分成黑白两个三角形的方形瓷砖,通过周期排列或非周期排列,可以得到看似有序或无序的不同图案。 Truchet图案。图片来源:Wikipedia〔3〕 目前,Truchet图案已有很广泛的应用,例如周期性空间覆盖、非对称性装饰、抽象策略游戏、条形码和二维码、二进制信息存储等等。 代表性的Truchet图案及应用。图片来源:Science 在化学及材料科学领域,晶体材料结构的特点是周期排列,长程有序,而无定形材料则是无序任意分布的。在这两者之间,其实还有很多中间地带。是否可以通过分子设计,像二维码一样,在看似无序的结构中创造出秩序,实现原子级的Truchet排列呢? 近日,英国牛津大学AndrewL。Goodwin和澳大利亚悉尼大学CameronJ。Kepert等研究者在Science杂志上发表论文,利用金属有机框架(MOF)在原子水平实现了复杂三维Truchet排列。他们合成了一种MOF材料(TRUMOF1),晶体结构包含周期性排列的相同含锌簇,同时含锌簇以一种明确但无序的方式均匀连接,形成了在拓扑上非周期性的微孔网络。该团队认为,这种不寻常的结构归因于其化学构筑单元的几何阻挫(geometricfrustration)。网状化学结构,将周期性和非周期性原子排列结合在一起,所包含的化学信息要丰富得多,或许可为功能材料的设计提供新的启发。 由MOF单元连接形成的非周期性网络结构示意图。图片来源:Science〔4〕 研究者设计的TRUMOF1是一种由含锌簇〔OZn4〕和1,3苯二甲酸构成的MOF材料。其独特之处在于,含锌簇呈现周期性排列,而作为连接子(linker)的1,3苯二甲酸却呈现出近似随机的排列,在整个晶体中以一种明确但无序的方式均匀连接,形成了一个非周期性的拓扑微孔网络。换句话说,TRUMOF1集有序与无序于一身,每个节点都是有序的,而微孔空间网络则是无序的。正如Truchet瓷砖,尽管组成单元都完全相同,然而只需旋转角度,就能排列出非周期拓扑结构。 TRUMOF1的晶体结构。图片来源:Science X射线衍射表明,含锌簇位于 立方晶胞的顶点和面心位置,形成有序晶格,而连接配体1,3苯二甲酸则具有三种不同的取向。X射线漫散射经常用来表征晶体材料中的无序结构,测试结果显示出配体三种取向的平均状态,结果与DFT模拟计算完全吻合。 TRUMOF1晶体学表征及计算模拟。图片来源:Science 研究者尝试使用原子探针层析和固态核磁共振技术进行表征,然而非周期的网络结构更像是一座迷宫,使解谜过程变得异常复杂。我几乎花了整个博士时间来了解这个结构,本文一作EmilyMeekel说〔5〕。该工作显示出使用创造性思维来破译复杂秩序的力量,同期Science杂志上的评论文章如是说〔4〕。 无序的孔隙网络结构。图片来源:Science Truchettilestructureofatopologicallyaperiodicmetalorganicframework EmilyG。Meekel,EllaM。Schmidt,LisaJ。Cameron,A。DavidDharma,HunterJ。Windsor,SamuelG。Duyker,AriannaMinelli,TomPope,GiovanniOrazioLepore,BenSlater,CameronJ。Kepert,AndrewL。Goodwin Science,2023,379,357361。DOI:10。1126science。ade5239 参考文献: 〔1〕【罗翔Xpapi酱XLKs】聊聊自己。28岁的我只有一碗粉【确实该聊聊】 https:www。bilibili。comfestivaltalktalk?bvidBV1Wd4y1Q7PTspmidfrom333。337。searchcard。all。click 〔2〕S。Truchet,Mmoirsurlescombinasions。Mm。Acad。R。Sci。(Paris)1704,363372。 〔3〕Truchettiles https:en。wikipedia。orgwikiTruchettiles 〔4〕O。YaghiZ。Rong,Decodingcomplexorderinreticularframeworks。Science2023,379,330331。DOI:10。1126science。adf0261 〔5〕Twitter https:twitter。comemilymeekelstatus1618896647551066112