涂斌斌副教授團隊在金屬有機框架序列調控領域取得重大進展

華大在線訊（通訊員 周漢鳴）近日，化學學院涂斌斌副教授團隊在金屬有機框架序列調控方面取得了重要進展。該研究成果在國際化學領域權威期刊《自然化學》（Nature Chemistry）發表，題為“Synthesis of backbone variable pillar-layered metal–organic frameworks through sequence control”（Nat. Chem. 2025, 17, 421-428）。博士研究生元靜靜為論文第一作者，通訊作者為武漢科技大學龐青青講師、萬明宇特任教授、鄭安民教授和我校涂斌斌副教授（最后通訊作者），第一完成單位為華中師范大學。

在自然界中，DNA的堿基序列決定了生物體的遺傳信息，指導著生物體的生長、功能和行為。因此，若能模仿DNA在合成材料中實現精確序列調控，對于其結構和功能的多樣性具有至關重要的科學意義。

序列調控示意圖

金屬有機框架材料（MOFs）具有模塊化的組裝模式和高度有序、明確的晶體結構，是有望實現精準序列調控的合成材料之一。基于此，涂斌斌副教授團隊首先在框架化學結構數據庫（Reticular Chemistry Structure Resource）中篩選出同分異構的層柱狀muo，umt 和toz拓撲框架，其層組成相同，但呈現出不同的排列方式，形成了多樣化的層序列，即結構的“基因”。同時，插入層之間的柱子會形成具有方向性的不同Z字形柱序列。此外，不同框架中的層和柱序列組合產生了方向性明確的多樣化孔序列。進而通過深入的解構分析，揭示了上述框架的構筑規律，并將其編成代碼，借助Python成功地預測了近2000種序列可調且具備原子級精準性的框架，且極大地豐富了框架化學結構數據庫。

基于上述拓撲分析指導，該團隊在六種同分異構的層柱狀MOF材料（SC-MOF-1–6）中實現了精確的序列調控。在這些材料中，層沿特定方向以不同序列進行排列，產生了多樣化的柱序列，進而形成了不同的框架。并且，得益于構筑單元在晶體結構框架中有序排列，所形成的序列十分明確且可精準定位。此外，不同的層和柱序列還導致SC-MOF材料中形成了多種同形狀、大小不同的孔，其以不同的方式堆積進一步形成了多樣化的孔序列。基于這種復雜的多孔性和孔道環境，SC-MOF在低壓下表現出超高的苯捕獲能力，并在高壓甲烷儲存中展現出優異的體積和重量吸附性能。這項工作為框架化學提供了一個獨特的視角，為框架材料的多樣性設計提供了新的思路。

該項研究工作得到了國家自然科學基金、湖北省自然科學基金、武漢市知識創新專項項目和華中師范大學中央高校基本科研業務費的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01717-4

(審讀人：郭彥炳 段治國)