High-rate nanofluidic energy absorption in porous zeolitic frameworks

沸石咪唑盐骨架 材料科学 纳米技术 纳米笼 吸收(声学) 吸附 化学物理 化学 金属有机骨架 复合材料 生物化学 催化作用 有机化学
作者
Yueting Sun,Sven M. J. Rogge,Aran Lamaire,Steven Vandenbrande,Jelle Wieme,Clive R. Siviour,Véronique Van Speybroeck,Jin‐Chong Tan
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (7): 1015-1023 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41563-021-00977-6
摘要

Optimal mechanical impact absorbers are reusable and exhibit high specific energy absorption. The forced intrusion of liquid water in hydrophobic nanoporous materials, such as zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), presents an attractive pathway to engineer such systems. However, to harness their full potential, it is crucial to understand the underlying water intrusion and extrusion mechanisms under realistic, high-rate deformation conditions. Here, we report a critical increase of the energy absorption capacity of confined water-ZIF systems at elevated strain rates. Starting from ZIF-8 as proof-of-concept, we demonstrate that this attractive rate dependence is generally applicable to cage-type ZIFs but disappears for channel-containing zeolites. Molecular simulations reveal that this phenomenon originates from the intrinsic nanosecond timescale needed for critical-sized water clusters to nucleate inside the nanocages, expediting water transport through the framework. Harnessing this fundamental understanding, design rules are formulated to construct effective, tailorable and reusable impact energy absorbers for challenging new applications.

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