食品补充剂“变身”反常规2D材料，越承压面积越大
虽然电影里“海王”这种超级英雄能在海底自由来去，但现实情况下，如果不借助氧气瓶等装备，人类的潜水记录也就在110米左右。人类仅凭自身难以涉足深海与海水作用于人体的压力有关。喜欢游泳或者潜水的小伙伴都知道，水越深，身体受到的压力就越大。这种压力称为“静水压力”，全方位无死角地均匀施加在水中的物体上。
一般的均质物体在静水压力作用下，在所有方向上都会被压缩。但也有一些材料不一般——科学家发现少数材料在静水压力作用下，能够在其他方向收缩时在一个方向上扩展，长度增加，这种反常规性质被称为负线性压缩性（negative linear compressibility, NLC）；更少见的情况下，极少数材料还能在两个方向上扩展，面积增加，这被称为负面积压缩性（negative area compressibility, NAC）。举个例子，2015年，Katrusiak等人报道了一种锌基金属有机框架（MOF），在静水压力下，其晶体会沿一个方向收缩，同时与该收缩方向垂直的晶体面的面积反而会增加，这种NAC现象与该MOF中柔性配位螺旋和折叠四角环结构有关（图1，J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 9296）。尽管目前NAC材料仍比较少见，这种材料对于外部压力的机械各向异性响应，还是非常有潜力用于下一代微米级或纳米级压力传感器和致动器技术。
图1. 具有NAC性质的MOF材料。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
目前报道的NAC二维晶体基本都是通过配位相互作用键合，而通过氢键相互作用键合的2D材料并未引起太多关注。氢键在电子性质方面与共价键存在根本上的不同，因此引入氢键无疑可以扩大NAC材料的范围。最近，天游8线路检测中心冯国强博士、南开大学李伟教授、犹他大学Weizhao Cai博士、中科院理化技术研究所林哲帅研究员、华中科技大学陆培祥教授等研究者探索了在NAC材料引入氢键的可能性，他们在Chemical Science杂志报道了一种氢键键合的二维超分子配位络合物乙酸锌二水合物（Zn(CH3COO)2·2H2O），在0.15-4.44 GPa的宽压力范围内都可展示NAC效应并且没有任何相变，这与晶体材料结构中的层内配位和氢键相互作用及层间范德华力的复杂协同有关。作者预计，这种NAC晶体有望在超灵敏压力传感器件中用作压力转换材料。
图2. 乙酸锌二水合物的NAC晶体。图片来源：Chem. Sci.
乙酸锌也称醋酸锌，本身并不神奇，是一种常见的食品补充剂，不少补充微量元素的保健食品都含有这种化合物。
本文作者团队结合高压实验和第一性原理计算，发现二维材料乙酸锌二水合物在宽压力范围内显示极其罕见的NAC效应。与其他已知的NAC材料相比，乙酸锌二水合物展现出面内配位和氢键相互作用以及面外范德华相互作用的复杂相互协同机理。此外，这种NAC晶体用作压力转换材料在制造超灵敏压力传感器方面具有重要的应用价值。考虑到氢键与配位键之间的电子性质差异，通过氢键组装的2D材料将为探索新型NAC材料提供新的平台。这一成果也可能为基于氢键和其他超分子相互作用从2D材料中发现新的电子学、光学和磁学性质与功能带来启发。
原文
Negative area compressibility of a hydrogen-bonded two-dimensional material
Chem. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8SC03291B
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