文章通过相关成像技术揭示了金属有机框架(MOF)多域单晶的生长机制。研究发现,HN-MOF晶体通过无定形胶体颗粒的附着和融合形成,其边缘区域的快速生长导致花瓣状多域外观,而中心区域的缓慢生长形成空腔。尽管晶体表现出多域形貌,但X射线衍射证实其为单晶结构。该研究为理解复杂晶体的非经典生长途径提供了新视角,并展示了相关成像技术在材料科学中的强大解析能力。
晶体生长机制是材料科学的核心问题之一。传统理论认为晶体通过单体在晶面上的有序排列生长,但近年研究发现许多复杂晶体通过颗粒附着(CPA)等非经典途径形成。文章以具有花瓣状多域形貌的HN-MOF为研究对象,结合多种先进表征技术,揭示了其独特的生长机制。
HN-MOF由镍盐和AdDB配体在溶剂热条件下合成,呈现双花萼对称结构,通过固态核心连接。微计算机断层扫描(Micro-CT)显示晶体中心存在空腔,但整体并非完全中空。尽管形貌表现出多域特征,单晶X射线衍射证实其为P622空间群的单晶,具有1.0 nm和1.2 nm两种手性通道。
通过相关原子力-电子显微镜(AFM-SEM)联用技术,发现晶体表面存在高度梯度:边缘区域(~0.6 μm)明显高于中心区域(~0.2 μm)。这种差异源于无定形胶体颗粒优先在晶体边缘附着并结晶。聚焦离子束-透射电镜(FIB-TEM)进一步显示,附着颗粒为无定形态,但在与MOF界面处发生结晶,形成连续单晶结构。
时间分辨实验揭示了生长过程的两个阶段:初期(10-12小时)表现为六方晶体的经典台阶流生长;后期(18-48小时)转变为颗粒附着主导的非经典生长。边缘区域的快速生长导致花瓣形成,而中心区域因应变抑制生长形成空腔。这种生长速率差异最终产生多域形貌的单晶。
该研究通过多尺度表征技术,明确了MOF晶体通过非经典途径形成多域单晶的机制。这种理解为精准调控晶体形貌提供了理论基础,也为开发具有复杂结构和功能的MOF材料开辟了新思路。未来研究可进一步探索生长条件与最终形貌的定量关系,推动晶体工程学的发展。