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中山大学张杰鹏 ǀ Sci China Mater:室温烧结的金属

作者:坎昆宫殿赌场    更新时间:2020-11-07 04:15

  陶瓷是无机非金属晶粒无取向烧结而成的块材,因为存在缺陷、气孔以及材料本征的双折射,通常是不透明的。光学陶瓷是消除了光散射的、透明的特种陶瓷,可兼具单晶、玻璃等其它透明块材等优势,可用于制作高性能光学窗口和激光增益介质。但是,光学陶瓷对材料或前驱体的要求非常苛刻,不但需要高纯度和尺寸均匀的纳米晶用于消除缺陷和气孔,还需要结晶在立方晶系以消除双折射。另外,有机物和无机—有机杂化材料无法耐受陶瓷制备所须的高温烧结过程。因此,目前只有几种材料可用于制备光学陶瓷。配位聚合物,也称金属—有机框架(Metal-Organic Framework, MOF),是一类结构和功能丰富多样的晶态材料。MOF材料通常为微晶粉体,在吸附、分离、传感等领域的实际应用中通常需要进一步造粒成型。MOF薄膜和单晶可用作分离、传感和光学器件,但高质量大尺寸的样品很难制备。

  (a)普通陶瓷(I,II,III光散射基元分别代表杂质、气孔和双折射);

  虽然MOF在一般溶剂中的溶解度很低,但晶粒和溶液中的构筑单元(即金属离子和配体)通常具有可观的交换速率,而且小尺寸的晶粒和曲率大的表面速率更大,是MOF晶体生长和合成后离子/配体交换修饰的基础。利用这个原理,有可能修复MOF纳米晶组装而成的聚集体内部的缺陷,形成致密连续的块材。基于这个设想,中山大学张杰鹏研究团队合成了基于MOF材料的新型光学陶瓷,即金属—有机光学陶瓷(Metal-Organic Optical Ceramic, MOOC)。

  SOD型2-甲基咪唑锌(II),即MAF-4或ZIF-8,是第一例具有天然分子筛拓扑结构和晶体对称性(立方)的MOF,因具有特殊的孔道结构和极高的稳定性而被广泛研究。研究人员以乙醇为溶剂合成了直径约20 nm的MAF-4纳米晶,通过离心分离得到凝胶状样品,再放置在空气中自然干燥,得到无色透明的块体MOOC-1,可见光透过率高达84%。如使用常规加热或真空干燥方法,则得到常见的松散白色粉末。X射线是多晶块材而非单晶体或玻璃体。

  X射线特征峰,因此是多晶块材而非单晶体或玻璃体。紫外—可见吸收光谱表明,MOOC-1在可见光区的光透过率高达84%。

  (c)荧光峰强度(黑)和半峰宽(FWHM,蓝)与激光泵源能量密度的关系(插图:SRh@MOOC-1的光学照片,比例尺:1毫米)。

  此外,研究人员还用其它几种MOF材料进一步证明,降低溶剂蒸发的速率,是一种使MOF纳米晶在常温下融合成致密的透明块材的有效方法。这种简单的成型方法不但大大拓宽了光学陶瓷的选材范围,还有助于开发MOF材料在光学、吸附、分离、传感等领域的应用。

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