如果你是一名化学爱好者，那么你对于美国科学院院士、2018 年沃尔夫化学奖得主、美国加州大学伯克利分校化学系教授奥马尔·亚基（）一定不陌生。
但是很难想象的是，早年出生于约旦沙漠地区的他，曾因为吃水问题而作难。小时候，他的日常用水由市政统一供应，每两周有五小时的供水时间。每逢供水时间来临时，很早就要起床，然后把家里大大小小的桶，在这五小时之内灌满水。
接下来，这些水要供全家人使用两周，直到两周以后再重复进行五个小时的工序。“如果你用完的话，就得想办法到别的地方去接水。所以我从小就对生活在干旱地区有着真切感受。”他曾公开表示。
同样是在少年时代，他在一次偶然机会中开始接触到化学分子。在十岁时的一次午休时间里，由于图书馆的门没锁，他无意之间来到了图书馆，随后便看到了分子的示意图。此后，他开始对分子保持关注。但在当时，他并不知道自己将穷尽一生来研究分子。
对于约旦地区的缺水问题，他曾想通过化学手段来解决。他在近期一场演讲中表示：“我当时想既然地球上有极度缺水的干旱地区，也有水资源充足的地方。那么假如设计出一种材料，把干旱地区或低湿度地区的水提取出来，必将是一个好主意。”
后来，成为科学家的他发明了金属有机框架材料（MOF，Metal-Organic Framework），化学界将其称之为革命性的突破。该框架可以吸收水分子，能从空气或任何地方提取水，并且不会受到时间限制。与此同时，人们发现 MOF 还可以捕捉空气中的二氧化碳，能为实现零碳提供全新的科学支持。
可以说，MOF 既能从沙漠提水、又能捕捉废气。而作为 MOF 首创者的，也多次被媒体“押宝”为诺奖热门人选。近年来，MOF 一直是材料领域中的“网红选手”，引得学界一轮又一轮的研究。这不，就在最近苏州大学副教授和合作者，再次将 MOF 研究向前推进一步。他和合作者造出了目前公开报道中最薄的 MOF 薄膜，其单一晶胞的厚度仅有 2nm。图 | 左：极薄 MOF 薄膜得构筑示意图；右：本次 MOF 晶体的结构图（来源：Nature Materials）当把极薄的 MOF 薄膜制成气体分离薄膜，即可实现氢气和氮气的高效分离。所提出的技术手段被审稿人评为是“生成下一代 MOF 膜的新方法”，相关论文也得以顺利发表在 Nature Materials（IF 41.2）。整体来说，本次提出的方法将 MOF 薄膜的厚度降低到理论极限值，并且具有较好的普适性，能为 MOF 极薄薄膜的发展提供新方法。此外，这款 MOF 薄膜还具备分子筛分的能力，所以除能用于分离气体之外，还有望实现不少功能性应用，比如构筑优良性能的检测器件、以及实现高精密度的图案化等。
实现“双碳”目标，材料能做什么？
尽管这款 MOF 薄膜只有小小的 2nm，但其背后却蕴藏着助力缓解气候的宏大命题。
随着全球工业化进程的不断推进，由此引发的环境问题也日益严重，并成为人类关注的热点问题之一。这其中就包括气体污染的加剧，直接导致全球气温的升高。
为应对这一问题，2015 年，在联合国第 21 届联合国气候变化大会上，全球 178 个缔约方共同签署《巴黎协定》（The Paris Agreement）。该协定的长期目标旨在致力于将全球平均气温上升幅度控制在 2℃ 以内，并努力将温度上升幅度限制在 1.5℃ 以内。众所周知，导致全球气温升高的污染气体是二氧化碳和二氧化硫等温室气体。因此，如何减少这类气体的排放是解决问题的关键所在。
2020 年，在第七十五届联合国大会上，中国提出力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的“双碳”战略目标。
倡导绿色、环保、低碳的生活方式，既可以加快降低碳排放的步伐，也有利于引导绿色技术创新，并能提高中国经济的全球竞争力。
当前，中国正在持续推进产业结构和能源结构调整，大力发展可再生能源，并在沙漠、戈壁、荒漠等地区加快规划建设大型风电光伏基地项目，努力兼顾经济发展和绿色转型。
而在减少产生温室气体等污染气体的基础之上，将现有排放系统中的这类气体捕获下来，从而阻止其排放到大气环境中，也是减少大气污染的重要方式。
在捕获这些气体时，薄膜分离材料是一个重要角色，它能实现高效的气体分离，故能成为助力实现“双碳”目标的重要手段。
（来源：Nature Materials）
MOF：绝佳的薄膜分离材料
MOF，无疑是一种绝佳的薄膜分离材料。作为一种晶态多孔材料，MOF 由金属或金属氧簇节点、和有机配体通过配位键连接而成。
MOF 材料拥有多孔性、高度有序性、和结构可设计等特点。对于 MOF 的孔道尺寸来说，从直径小于 2nm 的微孔、到直径位于 2nm-50nm 的介孔，只要位于上述范围之内，MOF 都具备连续可调的能力。也就是说通过一番调试，MOF 就能拥有与气体分子动力学直径相当的孔径范围，因此非常适用于气体分离材料。那么，只要把 MOF 制成薄膜选择层材料，就有望实现二氧化碳等气体分子的高效分离。然而，现行 MOF 分离薄膜的形貌往往是通过晶体颗粒或纳米片相互堆叠而成，颗粒间往往存在大量晶界和缺陷。同时，晶体颗粒的取向杂乱无章。而且，由于需要形成连续层，往往会导致 MOF 薄膜的厚度较大。
这些缺点都很大程度上都影响着 MOF 薄膜的分离性能，包括降低气体透过率和气体选择性等。因此，如何优化 MOF 薄膜的形貌，成为提升气体分离性能的关键。
对于理想状态的气体分离薄膜来说，它要求薄膜中的 MOF 具有良好的结晶性、高度取向性和连续性，同时厚度越薄、效果越好。
其中，结晶性、高度取向性和连续性和气体选择性直接相关。这是因为只有具备统一孔径和取向的孔道结构，才能最大程度发挥 MOF 的气体分离性能。而想要实现气体通量的提升，最直接的办法就是减小 MOF 薄膜的厚度。因此，该团队在本次研究伊始定下这样一个目标：构筑极薄的、大面积连续、高度取向的 MOF 薄膜。后来，他们发现通过严格控制反应条件，采用极稀反应溶液和极短反应时间，就能在晶态基底表面构筑 MOF 薄膜。
（来源：Nature Materials）
“事实上，最终的研究结果和初期设计存在较大的差别。当时我们想通过 MOF 晶体颗粒和单层石墨烯，制备针对复合气体的分离薄膜。即先合成高度分散的 MOF 晶体颗粒，然后将其附着于单层石墨烯上。”课题组表示。
然而，在一次偶然的实验中，他们发现在单层石墨烯上出现一些具有规则三角形形状的薄层。通过进一步的探索，他们发现三角形薄层是一种晶态的 MOF 材料。这让他们开始思考：利用这种形貌能否构造理想状态的 MOF 薄膜？即构造单一晶胞厚度的、大面积高度取向性的 MOF 薄膜？后来，通过不断摸索反应条件，终于合成了这种极薄的 MOF 薄膜。但是，MOF 薄膜的结构表征却是一个大难题。首先，由于其厚度太薄，因此采用一般方法很难辨别它是否在基底上生长成功。不久之后他们发现，将基底置于反应溶液中，由此生长的 MOF 薄膜在基底上就会出现边界。接着，利用扫面电子显微镜等手段，他们成功实现了 MOF 薄膜的验证。而为了验证这款极薄薄膜的晶体结构，该团队借用了欧洲同步辐射光源，并与世界顶尖电子衍射专家合作，最终让极薄薄膜的晶体结构表征得以完成。
日前，相关论文以《用于膜应用的单胞厚度沸石咪唑盐骨架膜》（）为题发在 Nature Materials[1]。
是第一作者，瑞士洛桑联邦理工学院教授库马尔·瓦龙·阿格拉瓦尔（）担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Materials）
本次论文也是在瑞士洛桑联邦理工学院做博士后期间的代表作。早年，其博士和第一站博后均在武汉大学完成，后远赴瑞士开展第二站博士后研究。
2023 年 3 月，加入苏州大学材化部，目前主要研究光活性晶态材料和超薄薄膜的设计。他表示：“总的来说，本次研究为合成和制备极薄 MOF 薄膜提供了一种新的普适性方法。接下来，我们将继续以这一方法为基础，构筑更多具有优异气体分离性能的 MOF 薄膜，从而更好地助力实现‘双碳’目标。”
参考资料：
1.Liu, Q., Miao, Y., Villalobos, L.F.et al. Unit-cell-thick zeolitic imidazolate framework films for membrane application. Nat. Mater. 22, 1387–1393 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01669-z