應(yīng)用分享-結(jié)構(gòu)柔性解決方案

MOF材料的環(huán)境與非環(huán)境衍射變化監(jiān)測

—致敬諾獎(jiǎng)獲得者及其突破性成果

布魯克X射線部門 孟璐

2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予北川進(jìn)(Susumu Kitagawa)、理查德·羅布森(Richard Robson)和奧馬爾·M·亞吉(Omar M. Yaghi)，以表彰他們“在金屬有機(jī)框架領(lǐng)域的發(fā)展"。

日本京都大學(xué)的北川進(jìn)(Susumu Kitagawa)生于1951年，專注于金屬有機(jī)框架材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。

理查德·羅布森(Richard Robson)就職澳大利亞墨爾本大學(xué)，生于1937年，為金屬有機(jī)框架的理論基礎(chǔ)做出重要貢獻(xiàn)。

奧馬爾·M·亞吉(Omar M. Yaghi)為美國加州大學(xué)伯克利分校教授，在金屬有機(jī)框架的合成方法和實(shí)際應(yīng)用方面取得重大突破。

正如評委會高層海納·林克所言，MOF帶來了定制新材料的無限可能。這份榮譽(yù)不只是對三位先驅(qū)的致敬，更禮贊了全球所有投身MOF研究的科研工作者—是他們的接續(xù)探索，讓實(shí)驗(yàn)室的突破照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)MOF材料憑借諾獎(jiǎng)級的創(chuàng)新前景，在環(huán)保、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出無限可能時(shí)，如何精確解析其結(jié)構(gòu)特性、挖掘更多應(yīng)用價(jià)值，成為科研轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，而布魯克早已在這一領(lǐng)域布局，為MOF研究提供著專業(yè)解決方案。

本篇文章著重介紹布魯克AXS在結(jié)構(gòu)柔性的解決方案：MOF材料的環(huán)境與非環(huán)境衍射變化監(jiān)測。

針對MOF材料結(jié)構(gòu)解析及表征，AXS部門主要有兩類產(chǎn)品平臺：

1.       單晶X射線衍射平臺

2.       粉末X射線衍射平臺—非環(huán)境條件結(jié)構(gòu)監(jiān)測

一、單晶X射線衍射平臺

主要產(chǎn)品為：D8 QUEST/VENTURE

產(chǎn)品特色：

1.       可實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)測定、變溫或變壓研究以及電荷密度研究

2.       實(shí)驗(yàn)室級“線站"觸手可及

用于MOF研究的探測器：PHOTON系列

MOFs通常具有以下特點(diǎn)：

·       衍射強(qiáng)度范圍大：衍射強(qiáng)度從非常強(qiáng)到極其弱都有涵蓋，探測器的動態(tài)范圍必須能夠妥善處理這種變化范圍。

·       在相對較低的分辨率下，晶體的衍射強(qiáng)度會迅速衰減。

·       Photon IV 探測器采用混合模式檢測技術(shù)，兼具電荷積分模式和光子計(jì)數(shù)模式，同時(shí)能對強(qiáng)點(diǎn)和弱點(diǎn)進(jìn)行高準(zhǔn)確度檢測。

用于MOFs研究的微焦斑光源: IµS鉆石混合靶光源

·       金屬有機(jī)骨架材料通常晶體比較小。

有了微焦斑光源，我們可以對這些晶體進(jìn)行更好的測試！

·       極大強(qiáng)度聚焦于小顆粒晶體，樣品尺寸與光束尺寸相匹配，產(chǎn)生的背景散射更少，信噪比更高。

·       IµS DIAMOND II采用了Incoatec公司的有混合鉆石陽極技術(shù)，將光源強(qiáng)度提升到了超轉(zhuǎn)靶級別，而且零維護(hù)。

·       雙光源配置下，只需一鍵，就可實(shí)現(xiàn)即時(shí)的波長切換—無需儀器重新校準(zhǔn)！ 

▲IµS測試數(shù)據(jù)

用于MOF研究的“室內(nèi)同步輻射"光源：METALJET

·       液態(tài)金屬陽極能夠承受遠(yuǎn)高于固體靶材的密度負(fù)載。

o       具有超高亮度且焦點(diǎn)尺寸小于 70 微米的束流。

o       針對微小晶粒，能夠極大限度地提高信噪比。

·       新一代MetalJet-MC性能媲美第三代同步輻射…

▲METALJET測試數(shù)據(jù)

單晶衍射布魯克AXS方案具有以下特點(diǎn)：

·       低運(yùn)行成本(例如，能源消耗)

·       穩(wěn)定且免維護(hù)

·       所有組件的主動空氣冷卻

·       無需額外的配件，如水冷或真空泵

·       無停機(jī)時(shí)間的峰值性能!

·       模塊化設(shè)置方便后續(xù)升級

·       原位測試功能：低溫（低至28K），高溫（高至1000℃）、高壓DAC..

·       功能強(qiáng)的全功能軟件包

·       AI自動化

·       多樣化服務(wù)和支持

二、粉末X射線衍射平臺—非環(huán)境條件結(jié)構(gòu)監(jiān)測

主要產(chǎn)品為：D6 PHASER、D8 ADVANCE/DISCOVER

產(chǎn)品特色：

可實(shí)現(xiàn)物象鑒別、微觀結(jié)構(gòu)解析和對分布函數(shù)測試及分析

非環(huán)境條件：

·       樣品安裝在專門的支架/腔室中

·       可改變樣品環(huán)境：溫度、濕度、壓力、電流/電壓…

非環(huán)境條件也可以用于單晶衍射儀，但只限于溫度和壓力。

非環(huán)境衍射在桌面衍射儀的應(yīng)用

D6 PHASER:臺式粉末衍射平臺

·       標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射:

o       基于Bragg-Brentano進(jìn)行反射測試；

o       基于箔或毛細(xì)管進(jìn)行透射測試；

·       使用Anton-Paar BTS-500進(jìn)行可變溫度研究。

先進(jìn)技術(shù):

·       GID、XRR、應(yīng)力和紋理配對分布函數(shù)

D6 PHASER with BTS-500 Temperature Chamber

DIFFRAC.EVA能夠?qū)⒎黔h(huán)境數(shù)據(jù)以二維圖表的形式呈現(xiàn)出來。標(biāo)記出發(fā)生相變（例如脫水）的特定數(shù)據(jù)集。

▲CAU-10脫水明顯，二次轉(zhuǎn)變也明顯

DIFFRAC.TOPAS 可用于對所有衍射圖譜進(jìn)行同步精修：

▲晶格參數(shù)清楚地顯示了相變和熱膨脹

非環(huán)境衍射在落地式衍射儀的應(yīng)用

D8 ADVANCE with CHC+ Temperature/Humidity Chamber

D8 ADVANCE-提供全范圍的粉末衍射應(yīng)用:

·       從物象鑒定和定量到結(jié)構(gòu)解析和對分布函數(shù)分析

·       更普遍的非環(huán)境腔室范圍，包括MTC-HIGHTEMP和Anton PaarCHC+

·       組件識別簡化了樣品臺更換、儀器可自動重新配置

使用DIFFRAC.SUITE軟件，可以為具有變化濕度（下）和變化溫度（上）的情況分別定義一個(gè)單獨(dú)的程序。

DIFFRAC.EVA顯示了不同溫度下的相變： 

▲30℃：從35.9% RH開始 50℃：從42.0% RH開始

結(jié)合合適的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(如COD或PDF)，DIFFRAC.EVA識別相變前后物象。

無論您的MOF結(jié)構(gòu)問題是什么，束蘊(yùn)儀器都能有適合您需求的解決方案。

-轉(zhuǎn)載于《布魯克X射線部門》公眾號