多孔材料研究(因此实际上是关于无中生有的科学)几十年来一直吸引着材料化学家。制造出越来越小的孔并控制其排列的可能性已经导致了一系列被用于日常或工业应用的新材料的出现。对多孔材料的评论通常始于活化炭，或者至少始于第一个天然沸石或合成沸石的发现(分别在近250年和70年前)。近年来，对多孔材料在组分、孔隙度和结构等方面的研究产生了许多有趣的新材料。
有鉴于此，德国柏林工业大学Arne Thomas教授，对近十年来在多孔材料研究领域报道的一些亮点做了一个简短的概述。
本文要点
1）孔隙率和表面积。比表面积是指材料在干燥状态下能够接触到气体分子的面积，当孔隙被引入材料时，比表面积可以大大增加。2010年，表面积超过6000平方米/克的MOFs首次被报道，2012年超过7000平方米/克，到了2018年，MOF展示了目前的世界纪录7836平方米/克。这大概是一个足球场的面积，你可以拿在手里!其孔隙体积为5.02 cm3/g，即90.3%的材料是自由体积，而密度仅为0.187 μg/cm3。最近有报道称，金气凝胶的密度仅为0.006微克/立方厘米，是金的体积密度的0.03％。
2）组成和连接键。多孔高表面积材料主要划分为无机材料（沸石，有序介孔氧化物，多孔碳）和有机无机材料（MOF），纯有机材料，例如共价有机骨架（COF）和共轭微孔聚合物（CMP）。COF和CMP是完全有机的，通常是完全π共轭组成，光催化是有机多孔材料研究的主要应用之一。另外，已经通过氢键（HOFs），超分子相互作用（SOFs）或超配位主族元素（SiCOFs）构造了具有高永久表面积的有机构件的多孔材料。
3）维度和动力学。十年前，大多数多孔材料是3D材料，即该材料及其孔隙率扩展到所有三个维度。当然，有一些例外，例如固有微孔（PIM）的一维聚合物和二维层状COF，但是沸石，多孔碳和大多数MOF都属于这一类。在过去的十年中，这种情况发生了变化。一个有趣的进展就是开发了具有永久孔隙度的离散分子（称为有机笼化合物），因此可以将其描述为0D多孔材料。这些多孔笼是可溶的，这在多孔液体的发展过程中尤为突出，因此是笼状化合物的浓缩溶液，其溶剂分子太大而无法进入孔中，因此会吸收大量的气体分子。随着二维沸石纳米片的产生，也为沸石开发了新的尺寸。有趣的是，这些层可用于重新组装3D沸石结构，而这种结构是很难通过直接合成方法产生的。此外，最近在COF中观察到了可逆的2D到3D转换。时间尺度已被认为是研究4D多孔材料动力学和时空演化的新视角。人们已经认识到，许多多孔材料远非静态，而是可以由于外部刺激而改变其结构和孔隙率，从而产生非凡的性能，例如选择性识别小分子。
4）合成。如今，一种材料是通过设计创造出来的，这是一个普遍的说法。尽管许多多孔材料确实获得了结构精度和可预测的功能，但仍然意味着进行无数的反应,直到可以提出一种新材料。因此，在论文实验部分的几行字往往要花费数周、数月甚至数年的时间的劳动。但机器学习、大数据和机器人技术已进入多孔材料开发领域，并已显示出在结构、孔隙度和/或应用设计方面的优势。
参考文献：
Thomas, A. Much ado about nothing – a decade of porous materials research. Nat Commun 11, 4985 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-18746-5
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18746-5
