新型沸石咪唑酯骨架玻璃形成机理和力学性能的多尺度模拟研究

Zeolite imidazolate framework (ZIF) glass, which is a new discovery of glass family called the fourth style glass, which will be expected to be widely used in many fields, such as gas storage, separation, catalysis, biochemistry and pharmacy. However, the glass forming ability (GFA) and the mechanical property of ZIF glass is not good, which greatly limits its widely application. The project based on the density functional theory and micro mechanics theories, we will explore the atomic and electronic structures of comprehensive analysis of ZIF verification process of evolution using systematic study methods with first principles method and molecular dynamics method and combined melting and cooling process of experimental analysis measurements. The intrinsic relationship between GFA and atomic and electronic structures will also discuss here, which will supports theoretical guide for improvement for GFA of ZIF glass. Through the analysis of mechanical properties of ZIF glass under temperature and pressure, and establishment the relationship between the mechanical properties and macro structure of ZIF glass, which will provides the theory support for the regulation and improvement the mechanical properties of the of ZIF glass. This project will provide for solid theoretical guide for exploring and realizing the function of the ZIF glass, and will also pave the way on designing and searching for novel ZIF glass.

沸石咪唑酯骨架(ZIF)玻璃是近年新发现的第四类玻璃家族，其有望在催化、储氢、生物化学及制药等众多领域获得广泛的应用。然而，由于ZIF玻璃形成能力不强，力学性能差等问题，极大限制了ZIF玻璃广泛应用。本项目依据密度泛函和微观力学理论，运用第一性原理计算和分子动力学模拟，同时结合ZIF材料熔融冷却过程理论分析的系统性研究方法，综合分析ZIF玻璃化过程中的原子结构和电子结构的演变规律；探明ZIF玻璃的原子结构、化学键强度等与玻璃化形成能力的内在关系，为增强ZIF材料玻璃形成能力提供理论指导；通过分析温度和压力荷载下的力学性能变化规律，建立原子尺度上ZIF玻璃力学性能和宏观尺度ZIF玻璃力学间的联系，为调控与改善ZIF玻璃力学性能提供理论支撑。本项目将为实现ZIF玻璃功能化与实际应用提供坚实的知识基础，为探索和设计更多性能优异的ZIF玻璃提供理论依据。

沸石咪唑酯骨架(ZIF)玻璃是近年新发现的第四类玻璃家族，其有望在催化、储氢、生物化学及制药等众多领域获得广泛的应用。本项目依据密度泛函和微观力学理论，运用第一性原理计算和分子动力学模拟，同时结合沸石咪唑酯骨架(ZIF)熔融冷却过程理论分析的系统性研究方法，系统研究了ZIF玻璃的结构与性能之间的关系。主要研究成果包括：.（1）研究了a-ZIFs材料在均匀压缩和膨胀条件下的变形行为及其相关物化性能；发现了a-ZIFs在51.2GPa高压下的金属化反应，形成了一种新的轻质、强有机金属玻璃合金；.（2）研究了不同的有机桥联配体和不同配位的金属离子，构建4种不同ZIFs玻璃结构模型；揭示了不同桥联配体和金属节点对ZIFs玻璃形成能力的影响原子机理；.（3）探究了ZIF-62玻璃的纳微结构的精细表征困难的关键科学问题，揭示了混合有机配体对非晶态ZIF-62[Zn(Im)2-x(bIm)x]的几何结构、电子结构、化学键和光学性质的影响，阐释了ZIF-62玻璃化原子尺度的机制；.（4）开展了卤化a-ZIF-62的纳微结构及其物理化学性质，研究了卤化后的ZIF-62的微纳结构，解释了ZIF-62玻璃物化性质与结构之间的关系；.（5）通过对ZIF-4的同构异素体a-SiO2玻璃在温度和压力负载下的热动力学行为的研究，提出了在有限温度和压力条件下固-液系统固有弹性项精确计算的通用能量应变方法。. 总之，本课题着重研究a-ZIFs的原子及电子结构、金属和有机桥联配体的成键特性及相关力学和光学性能；探究不同金属离子和有机桥联配体间的长程和中程相互作用及其对玻璃形成能力和性能之间构效关系，建立了ZIFs玻璃化微观机制和物理模型，为寻找和探索更多玻璃形成能力强和性能优越的ZIFs玻璃提供理论依据。.