基于客體誘導多孔門控的螢光非多孔自適應晶體用於高效放射性碘吸附

《Nature Communications》：Guest-induced porous gating of a fluorescent nonporous adaptive crystal for efficient radioactive iodine sorption

本文研究旨在解決放射性碘的有效吸附與儲存問題。研究人員通過構建具有客體誘導多孔門控特性的有機小分子非多孔自適應晶體（NACs），發現其晶體結構能夠針對特定客體分子發生適應性轉變。該研究證實，基於BiPyBz分子構建的CryQuad晶體表現出優異的碘氣體吸附能力（3.1 g g?1，75 °C），這歸因於其門控孔道與鄰近層的協同效應。這項工作凸顯了小分子有機NACs在實際應用中的巨大潛力。

　　

在核能產業和核醫學領域，放射性碘（例如碘-129和碘-131）的處理與封存一直是一個棘手且關鍵的環境安全挑戰。傳統的吸附材料如活性碳或沸石，雖然應用廣泛，但在吸附容量、選擇性或結構穩定性方面往往存在局限。尤其是對於氣態碘的捕獲，如何實現高效率、高容量且穩定的吸附，是科學家和工程師們持續攻關的目標。近年來，一類被稱為非多孔自適應晶體（Nonporous Adaptive Crystals, NACs）的新型有機吸附材料脫穎而出。它們的奧妙之處在於，其初始狀態可能並無明顯孔道，但當遇到特定的目標分子（客體）時，晶體結構能夠智慧地、適應性地發生轉變，從而創造出捕獲該客體的空間。這種“遇客而開”的特性，為設計新一代高選擇性吸附劑提供了嶄新思路。然而，如何利用簡單的有機小分子來構建此類材料，並進一步提升其對放射性碘等有害物質的吸附性能，仍然是該領域有待探索的前沿課題。為此，一篇發表在《Nature Communications》上的研究，向我們展示了一項富有啟發性的突破。

研究人員主要運用了晶體工程與結構表征的核心技術。他們首先設計並合成了名為BiPyBz的有機小分子，並通過溶液法培養獲得了其兩種不同的晶體形態。利用單晶X射線衍射技術對這兩種晶體的精細結構進行了解析，從而明確區分了它們的堆積模式。為了研究材料對水分子和碘蒸氣的響應行為，他們進行了氣體吸附測量實驗，獲得了關鍵的吸附等溫線數據，並以此計算吸附容量。此外，研究還可能涉及了包括粉末X射線衍射、熱重分析等在內的輔助表征手段，以確認晶體在吸附前後的結構穩定性與相變情況。

研究結果

1. 客體誘導的多孔門控晶體

研究發現，BiPyBz分子能夠形成兩種不同的晶體：一種是緻密堆積的Cry_Rod，另一種則是具有孔道門控特性的Cry_Quad。關鍵在於，Cry_Quad中的孔道並非始終開放，而是可以被水分子這一特定“客體”所誘導“打開”。這證實了在簡單有機小分子體系中，同樣可以實現對客體分子的智慧識別與結構自適應響應。

2. 卓越的碘吸附性能

令人印象深刻的是，這兩種晶體，尤其是Cry_Quad，均能作為氣態碘的有效吸附劑。實驗數據顯示，在75 °C的條件下，Cry_Quad對碘的吸附容量高達3.1 g g^?1。這一數值在所有由小有機分子構建的非多孔自適應晶體中位列最高，展現了其優異的捕獲能力。

3. 高性能的結構根源

為什麼Cry_Quad能夠擁有如此出色的吸附表現？通過深入的結構分析，研究揭示了其背後的機理。其高性能歸因於一種“協同效應”：被吸附的碘分子不僅填充了被水誘導打開的“門控孔道”，同時也進入了晶體相鄰層面之間的空間。這種雙重吸附位點的充分利用，極大提升了材料的整體吸附容量。

結論與討論

該研究成功演示了在有機小分子BiPyBz中實現客體誘導的多孔門控性質，並由此開發出一類高性能的非多孔自適應晶體吸附劑。其核心結論在於，通過精妙的分子設計與晶體工程，即使是最簡單的分子構建塊，也能展現出對環境刺激（如水分子）的動態結構響應，並將這種響應轉化為對目標污染物（如放射性碘）的高效捕獲能力。Cry_Quad創紀錄的碘吸附容量，不僅確立了其在同類材料中的領先地位，更重要的是，其揭示的“門控孔道與層間協同吸附”機制，為未來設計更高性能的吸附材料提供了清晰的理論指引和設計原則。這項工作有力地強調了，小分子有機非多孔自適應晶體在放射性廢料處理、有害氣體封存等現實世界應用中具有廣闊而切實可行的潛力，為解決重要的環境與能源安全問題開闢了一條新的材料學路徑。