基于金属有机框架的二维负泊松比材料理论设计与调控研究
批准号:
22203026
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
汪海迪
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
中文摘要
由于在医学、电子器件和国防等领域有着重要应用,设计和调控具有负泊松比的二维材料成为当前研究的热点。然而,目前二维负泊松比材料的研究还存在诸多问题。就研究方法而言,既缺乏系统性的设计策略又缺乏温度效应的研究;就材料本身而言,广泛研究的二维无机负泊松比材料存在负泊松比低、柔韧性差、功能单一等问题。本项目拟在前期研究二维无机负泊松比材料的基础上,基于金属有机框架(MOF)设计二维负泊松比材料。通过结合第一性原理和分子动力学方法以及高通量计算和机器学习技术,首先研究次级构筑单元(SBU)和拓扑结构构建二维MOF负泊松比材料的设计策略,然后研究二维MOF负泊松比材料的性质并阐明官能团修饰和电场对泊松比的调控机制,最后基于研究数据集揭示SBU、拓扑结构、温度等物化参数与泊松比之间的内在关联。本项目研究结果将为后续设计、预测具有负泊松比的二维材料提供理论依据。
英文摘要
Owing to its important applications in the fields of medicine, electronic devices and national defense, the designing and tuning of two-dimensional materials with negative Poisson's ratio has become a current research hotspot. However, many problems still exist in the research of two-dimensional negative Poisson's ratio materials. In terms of research methods, there lacks the systematic design strategy and the study of temperature effect; From the prospective of material, some defects are observed in the widely studied two-dimensional inorganic negative Poisson's ratio materials, such as low negative Poisson's ratio, poor flexibility, single function and so forth. Based on our previous study of two-dimensional inorganic negative Poisson's ratio materials, this project aims to design two-dimensional negative Poisson's ratio materials through the means of metal organic framework (MOF). By combining the first principle and molecular dynamics simulation, as well as high-throughput computation and machine learning technology, we firstly study the design strategy of constructing two-dimensional MOF negative Poisson's ratio materials via secondary build unit (SBU) and topology. Then we study the properties of two-dimensional MOF negative Poisson's ratio materials and explain the mechanism of functional group modification and electric field tuning for Poisson's ratio. Finally, based on the research data set, we expect to reveal internal correlation (f) between physical and chemical parameters such as SBU, topology, temperature and Poisson's ratio. Hopefully, the research results of this project will provide a theoretical basis for the subsequent design and predict of two-dimensional materials with negative Poisson's ratio.
二维材料及二维金属有机框架(MOF)因其独特的结构与物性在柔性电子器件、微纳机电系统及多功能器件中具有重要应用前景,而负泊松比等反常力学响应为拓展材料性能边界提供了新的物理途径。本项目围绕二维MOF及相关二维材料负泊松比结构设计、高通量筛选、机理解析与数据驱动预测开展系统研究,构建了从计算方法开发到材料发现与性能评估的完整研究体系。 项目首先针对二维材料力学性质计算缺乏高通量工具的问题,开发了高度自动化的 mech2d 计算程序,实现了二维材料二阶弹性常数、杨氏模量与泊松比等参数的批量计算与分析,并建立了稳定的高通量工作流。在此基础上,系统开展了二维负泊松比材料的第一性原理高通量筛选与定向设计研究,重点覆盖二维MOF体系(M₂C₄X₄)及无机二维体系(SiS₂、MX₂、M₄X₈ 等)。在二维MOF体系中,设计的 M₂C₄X₄(M = Cu, Ag, Au;X = O, S, NCN)结构表现出显著的面内负泊松比,其数值范围为 −0.17 至 −0.90,其中 trans-Cu₂C₄(NCN)₄ 的泊松比高达 −0.90,并同时具备超低杨氏模量、高断裂强度及良好的可见光吸收性能。在无机二维体系中,SiS₂ 单层展现出 −1.09 的面外负泊松比,通过元素替换在 SnS₂ 中可进一步提升至 −1.79,并在紫外—可见光区具有优异光吸收能力。对 M₄X₈ 体系的高通量筛选中,在 17 种稳定结构中发现 10 种负泊松比材料,其中 Pd₄I₈ 的泊松比达到 −0.798,并同时具备磁性、催化与储能潜力。 在动力学模拟方法方面,项目探索性地构建了锂体系深度学习势函数,初步发展了覆盖 约20000 种二维材料、327062 组结构-能量-力-应力数据的通用二维材料势函数,其能量、原子力和应力预测误差分别达到 6 meV/atom、80 meV/Å 和 0.067 GPa,为复杂二维MOF体系在接近第一性原理精度下开展分子动力学模拟提供了重要支撑。本项目在二维反常力学材料的结构设计、机理认识与多功能集成方面取得了一系列系统性成果,为二维功能材料与力学超材料的进一步研究提供了方法基础与材料候选体系。
基于金属有机框架的二维负泊松比材料理论设计与调控研究
-
批准号:--
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:30万元
-
批准年份:2022
-
负责人:汪海迪
-
依托单位:
国内基金
海外基金