复杂现象的晶体学实验 - 研究电荷密度波，MOF和无机纳米管

晶体是晶体的原子结构，其中的x射线穿过晶体衍射或反射被用来确定晶体的内部结构的研究。晶体结构有广泛的有用的物理性能的影响 - 从磁性和导电性催化活性和化学反应。

随着我们不断创造越来越奇异的结构，如金属有机框架和无机纳米管，并探索复杂的现象，如超导;晶体学正成为一种越来越重要的工具。

AZoM采访了来自西北大学IMSERC的Christos Malliakas博士，介绍了他对奇异系统和现象的研究，以及他用来完成研究的晶体学工具。

什么是充电密度波？为什么理解其形成和稳定化背后的机制重要？

差不多60年前，R. Peierls¹和h Frohlich²独立地提出在一维金属中电子和声子的耦合相对于静态晶格变形是不稳定的。

电荷密度波（CDW）是在金属中的导电电子密度的调节和结晶晶格中的原子位置的相关调制（声子，图1）。类似CDW，超导是另一个电子不稳定状态。

有趣的是，CDW和超导性通常是相互竞争的状态，金属系统首先会经历过渡到CDW，然后，CDW失稳后，超导性可能会随着温度的降低而出现。超导体的典型转变温度在100 K以下，趋向于液氦(4 K)附近，而CDW体系的转变温度可以从液氦温度变化到远高于室温(>400 K)。^{3 - 8}

正是这种cdw和超导性之间的关系使得研究人员对它们非常感兴趣。进一步了解CDW调制背后的机制及其与超导性的相互作用，可能会使低维金属具有不寻常的特性，如室温下的超导性。

图1。CDW形成时晶格调制(声子)的例子

如何晶体可用于研究电荷密度波？

充电密度波（CDW）从声子的耦合和空自由电子以低长度金属的耦合产生。

电子对晶格的耦合可以是相称的（图2A），不适应（图2B)，或不相称(图2C)——所有这些都导致了超级单体的形成，在超级单体中，原子从它们在晶体结构中的理想位置被置换。^9.这些位移是CDW扭曲的结果，故事地观察这些调制允许CDW的结晶表征。

只能采用先进的结晶技术来实现这些复杂的超晶胞的原子结构解析。晶体起着通过晶体模型与先进的理论计算相结合，以获得CDWs的整体机制有了更深的了解解决CDWs的结构非常重要的作用。

在相应的图像中，声子和电子的周期性可以用整数表示，例如一个2倍或3倍的supercell。在这种情况下，可以使用标准的单晶晶体学技术。

当耦合变得不相称时，需要多维晶体学方法(超空间)来描述超级单体的不合理周期性。这种超空间方法并不简单，它通常需要大量的工作和专业知识。

最后，CDWs可以是不相称的，其中supercell是由小的不相称切片的相滑移分隔的相称域组成。在这种高度复杂的极端情况下，全散射晶体学技术，如对分布函数分析，是必要的，以探测在不同长度尺度上的周期。^10.

图2。(一种)的,(B.）不适应，和（C) Discommensurate超晶胞

您的大部分研究集中在金属-有机框架?你对金属有机框架有什么兴趣?

金属 - 有机骨架（MOF）是一个引人入胜的类，其中基本分子结构单元和简单的前体可以被组合以创建复杂的材料具有重复的，延长的结构的化合物。欧洲杯足球竞彩的MOF是由金属离子和有机支柱建造。

有一个巨大的不同有机桥和金属的组合，导致大量的MOFS表现出令人兴奋的结构拓扑和物理化学性质。由于MOF的合理设计，即使在合成实际材料之前，也可以对新成员及其性能进行理论预测。欧洲杯足球竞彩

由于MOFs具有令人难以置信的高表面积，可以被激活，或量身定制具有特定的化学性质，它们可以用于量身定制的催化、气体存储和净化。

图3。大孔隙金属-有机骨架(NU-100)的特征结构^11.

结晶学如何有助于合成MOF？

利用晶体学技术获得精确的原子模型对于研究MOFs的不同拓扑结构至关重要。

通过结构分析，可以得出含有各种金属的有机积木的大小、形状和化学性质之间的关联。一旦这些化学和物理相互作用被完全理解，对任何结构成分的战略性修改可以用来合成特定的拓扑结构和定制MOF的性能。

例如，一个有机配体上的简单取代可以改变框架之间的连接程度。MOF结构的微妙变化可以用来微调催化，所以全面了解MOF设计是现代化学家和固体物理学家的圣杯。

晶体学为MOFs的分析提供了什么额外的信息?

化学家可以很有创造性地合成许多具有不同官能团和性质的不同有机构造块。

当这些有机分子用于合成MOFS时，新的和激动的性质可能上升，例如催化的特定位点，气体分子分离，气体储能等。例如，晶体学术可用于鉴定催化位点或甚至预测如果孔径和内表面适用于气体分离/储存应用，则结构（通过理论计算）。

此外，原位晶体学技术现在可以探测结构变化，这可能是关键应用的原因，例如框架的膨胀/收缩(呼吸效应)作为气体压力的函数。

图4a和4b。一个框架修改的例子。H与Br单次取代对MOF12拓扑结构(连接与非连接框架)的影响。

无机纳米管的行为如何与碳纳米管不同？

无机纳米管可以更复杂，因为使用多于一种化学元素来形成二元和三元纳米结构。因此，无机纳米管的内表面和/或外表面可以衬有不同于碳的原子。

这使得无机纳米管具有独特的电子、物理和化学性质。另一方面，当结构复杂性增加时，稳定性倾向于降低，例如，三元纳米管系统可能在高温下分解为二元或元素组成。

图5。三元无机纳米管体系SbPS4.13的结构

与碳纳米管一样，管的尺寸会影响纳米管的电子性能吗?

事实上，量子限制是普遍存在的，即使是无机纳米管，其电子性质也会随尺寸而改变。

在多大程度上可以使用晶体学表征无机纳米管？

如今，可以使用晶体学的无机纳米管的精确结构溶液。

依靠无机系统，内部单晶衍射仪和标准晶体学技术可以很好地解决一些纳米结构。

此外，第三代同步辐射设施都很方便，可以提供明亮的X射线束，从而使研究人员下来集中到几个微米大小的晶体。当然，无论是在公司内部和同步加速器单晶方法都需要至少长在所有三个维度几微米的样品。

在单个纳米管之间的注册率不高，样品形成粉末而不是单晶的情况下，全散射晶体学技术可能更适合解决中等范围的原子结构结合先进的abo -initio建模。

图6。SbPS4纳米管束的扫描电子显微镜图像。每个束的典型直径约为20微米。

你们用什么2020欧洲杯下注官网设备做晶体实验?

我有几个衍射计。对于内部使用，我一直使用来自Stoe（IPDS2和IPDS2T）的单晶衍射计和Bruker（探测器，二重奏，胜利）和来自StoE的粉末衍射计（STADI议员），Rigaku（Miniflex600）和Inel。

我还利用同步加速器(APS)和中子(SNS)设施来建造具有挑战性的建筑。

你为什么选择STOE的乐器?

晶体学是我们课题组的骨干，我的部分论文项目与不相称调制结构的结构测定有关。

我是一年级的研究生，我的导师去德国的安息。显然，很多德国机构使用STOE的衍射仪，这东西在这里是不是很常见于美国。我的导师是由STOE的单晶衍射仪的功能，当时惊讶，尤其是采用了仪器必须提供用于处理不适应结构。

长话短说，我的导师决定为小组买一个衍射仪。这就是我第一次接触STOE仪器的方式。在接下来的四年里，我广泛使用了他们的衍射仪(IPDS2)，这对我的论文工作至关重要。在此期间，该集团扩大了规模，并从STOE (IPDS2T)多购买了一台单晶衍射仪。

自从2016年夏天，我一直在管理和使用STOE最新的粉末衍射仪，该STADI议员在透射几何。

西北大学的几个研究小组对原位衍射测量很感兴趣，例如腐蚀气体的高温和气体流动，对各种各样的材料，包括氧化物、硫族化合物、金属间化合物、MOFs和有机化合物。欧洲杯足球竞彩

经过一些市场研究，据我们所知，STOE是唯一一家能够提供具有独特设计的现场炉的公司，该炉能够兼容研究小组制造的所有不同环境和材料。欧洲杯足球竞彩

图7。美国西北大学STOE的STADIMP配备了原位炉

我们的读者在哪里可以找到更多关于你的研究？

已发表的研究可以在各种科学网站和社交媒体上找到。对于正在进行的研究，请访问集成分子结构教育和研究中心(IMSERC)网站．

关于克里斯托Malliakas

克里斯托Malliakas博士（ORCID：0000-0003-4416-638X）在2016年1月加入了IMSERC设施作为X射线晶体学专家。

Christos在非经典晶体技术方面具有广泛的经验，例如不计的调制结构和总散射衍射方法。

Malliakas博士获得了他的博士学位。在密歇根州立大学，在Mercouri Kanatzidis教授的方向下。Christos在John Mitchell的集团领导下，在Argonne National实验室的材料科学部门进行欧洲杯足球竞彩了博士学位。欧洲杯线上买球

Christos的研究兴趣包括固体化学和固体理论，合成，晶体生长，材料的原位和先进表征。欧洲杯足球竞彩Malliakas博士在同行评审期刊上发表了150多篇文章。欧洲杯猜球平台

关于西北大学综合分子结构教育和研究中心

西北大学综合分子结构教育和研究中心的使命（IMSERC）是在西北的进一步研究提供获得和正确使用所需要的分子结构表征仪器的教育学生。

IMSERC成立至今，以西北教育学生成为21世纪的科学领袖，并支持世界一流的研究。的小分子燃料合成研究的许多核心学科和多学科的活动，包括化学，分子/细胞生物学，药物发现，化学生物学，平移医学研究，材料，催化，纳米技术和能量存储/转换。欧洲杯足球竞彩

在应用测试开始之前，西北大学所有利用新化合物的研究都依赖于IMSERC来描述这些分子。IMSE2020欧洲杯下注官网RC的设备提供给课堂教师，以便NU的学生了解团体如何进行尖端研究项目。

根据这个模式，IMSERC作为一个“一站式商店”，研究群体和教育工作者可以期望为他们的样本带来问题，并期望找到进一步研究项目的解决方案。

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