應用分享-結構柔性解決方案

MOF材料的環境與非環境衍射變化監測

—致敬諾獎獲得者及其突破性成果

布魯克X射線部門 孟璐

2025年諾貝爾化學獎授予北川進(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“在金屬有機框架領域的發展"。

日本京都大學的北川進(Susumu Kitagawa)生于1951年，專注于金屬有機框架材料的基礎研究和應用開發。

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

奧馬爾·M·亞吉(Omar M. Yaghi)為美國加州大學伯克利分校教授，在金屬有機框架的合成方法和實際應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。這份榮譽不只是對三位先驅的致敬，更禮贊了全球所有投身MOF研究的科研工作者—是他們的接續探索，讓實驗室的突破照進現實。

當MOF材料憑借諾獎級的創新前景，在環保、能源等領域展現出無限可能時，如何精確解析其結構特性、挖掘更多應用價值，成為科研轉化的關鍵，而布魯克早已在這一領域布局，為MOF研究提供著專業解決方案。

本篇文章著重介紹布魯克AXS在結構柔性的解決方案：MOF材料的環境與非環境衍射變化監測。

針對MOF材料結構解析及表征，AXS部門主要有兩類產品平臺：

1.       單晶X射線衍射平臺

2.       粉末X射線衍射平臺—非環境條件結構監測

一、單晶X射線衍射平臺

主要產品為：D8 QUEST/VENTURE

產品特色：

1.       可實現晶體結構測定、變溫或變壓研究以及電荷密度研究

2.       實驗室級“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：

·       衍射強度范圍大：衍射強度從非常強到極其弱都有涵蓋，探測器的動態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，晶體的衍射強度會迅速衰減。

·       Photon IV 探測器采用混合模式檢測技術，兼具電荷積分模式和光子計數模式，同時能對強點和弱點進行高準確度檢測。

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行更好的測試！

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

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

·       雙光源配置下，只需一鍵，就可實現即時的波長切換—無需儀器重新校準！ 

▲IµS測試數據

用于MOF研究的“室內同步輻射"光源：METALJET

·       液態金屬陽極能夠承受遠高于固體靶材的密度負載。

o       具有超高亮度且焦點尺寸小于 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測試數據

單晶衍射布魯克AXS方案具有以下特點：

·       低運行成本(例如，能源消耗)

·       穩定且免維護

·       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

·       無停機時間的峰值性能!

·       模塊化設置方便后續升級

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

·       功能強的全功能軟件包

·       AI自動化

·       多樣化服務和支持

二、粉末X射線衍射平臺—非環境條件結構監測

主要產品為：D6 PHASER、D8 ADVANCE/DISCOVER

產品特色：

可實現物象鑒別、微觀結構解析和對分布函數測試及分析

非環境條件：

·       樣品安裝在專門的支架/腔室中

·       可改變樣品環境：溫度、濕度、壓力、電流/電壓…

非環境條件也可以用于單晶衍射儀，但只限于溫度和壓力。

非環境衍射在桌面衍射儀的應用

D6 PHASER:臺式粉末衍射平臺

·       標準粉末衍射:

o       基于Bragg-Brentano進行反射測試；

o       基于箔或毛細管進行透射測試；

·       使用Anton-Paar BTS-500進行可變溫度研究。

先進技術:

·       GID、XRR、應力和紋理配對分布函數

D6 PHASER with BTS-500 Temperature Chamber

DIFFRAC.EVA能夠將非環境數據以二維圖表的形式呈現出來。標記出發生相變（例如脫水）的特定數據集。

▲CAU-10脫水明顯，二次轉變也明顯

DIFFRAC.TOPAS 可用于對所有衍射圖譜進行同步精修：

▲晶格參數清楚地顯示了相變和熱膨脹

非環境衍射在落地式衍射儀的應用

D8 ADVANCE with CHC+ Temperature/Humidity Chamber

D8 ADVANCE-提供全范圍的粉末衍射應用:

·       從物象鑒定和定量到結構解析和對分布函數分析

·       更普遍的非環境腔室范圍，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單獨的程序。

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

結合合適的結構數據庫(如COD或PDF)，DIFFRAC.EVA識別相變前后物象。

無論您的MOF結構問題是什么，束蘊儀器都能有適合您需求的解決方案。

-轉載于《布魯克X射線部門》公眾號