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Understanding Metal–Organic Framework Nucleation from a Solution with Evolving Graphs

成核 化学 化学物理 水溶液 分子动力学 离子液体 星团(航天器) 计算化学 物理化学 有机化学 计算机科学 程序设计语言 催化作用
作者
Loukas Kollias,Roger Rousseau,Vassiliki‐Alexandra Glezakou,Matteo Salvalaglio
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (25): 11099-11109 被引量:22
标识
DOI:10.1021/jacs.1c13508
摘要

A mechanistic understanding of metal-organic framework (MOF) synthesis and scale-up remains underexplored due to the complex nature of the interactions of their building blocks. In this work, we investigate the collective assembly of building units at the early stages of MOF nucleation, using MIL-101(Cr) as a prototypical example. Using large-scale molecular dynamics simulations, we observe that the choice of solvent (water and N,N-dimethylformamide), the introduction of ions (Na+ and F-) and the relative populations of MIL-101(Cr) half-secondary building unit (half-SBU) isomers have a strong influence on the cluster formation process. Additionally, the shape, size, nucleation and growth rates, crystallinity, and short and long-range order largely vary depending on the synthesis conditions. We evaluate these properties as they naturally emerge when interpreting the self-assembly of MOF nuclei as the time evolution of an undirected graph. Solution-induced conformational complexity and ionic concentration have a dramatic effect on the morphology of clusters emerging during assembly. While pure solvents lead to the rapid formation of a small number of large clusters, the presence of ions in aqueous solutions results in smaller clusters and slower nucleation. This diversity is captured by the key features of the graph representation. Principle component analysis on graph properties reveals that only a small number of molecular descriptors is needed to deconvolute MOF self-assembly. Descriptors such as the average coordination number between half-SBUs and fractal dimension are of particulalr interest as they can be can be followed experimentally by techniques like by time-resolved spectroscopy. Ultimately, graph theory emerges as an approach that can be used to understand complex processes revealing molecular descriptors accessible by both simulation and experiment.
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