科学网—AMR Account｜上海科技大学章跃标：动态共价有机框架的响应结构与可编译功能-材料研究述评（英文）的博文

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2026-8-3 09:51

| 个人分类: AMR Viewpoint | 系统分类: 论文交流

自适应性是生物分子发挥功能的结构基础，尤其是血红蛋白在气体负载过程中展现的别构效应，为智能吸附材料的设计提供了重要启示。受此启发，上海科技大学章跃标团队围绕三维动态共价有机框架（3D dynaCOF）的构效关系开展了系统研究。通过原子级结构解析，他们揭示了共价键骨架如何将局部的分子运动（如键旋转、互变异构）放大为长程、协同的 晶格形变 ，并成功将这些动态行为转化为选择性吸附、荧光传感等可编程功能。近期，该团队在 Accounts of Materials Research 发表述评，系统总结了三维动态共价有机框架的设计合成与结构演化，引导读者走进这一由“呼吸”晶体构成的奇妙世界。

关键词： 三维共价有机框架；动态结构；单晶结构解析；协同形变；荧光传感；可编程材料

作者团队展示了全共价、互穿的三维网络如何将局部的分子运动（如连接体扭转、踏板旋转和客体聚集）转导为长程、协同的晶格重排。

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文章内容简介

本述评系统梳理了上海科技大学章跃标课题组在三维动态共价有机框架（3D dynaCOF）领域的标志性成果。文章首先介绍了如何利用梯度扩散等创新合成策略，突破性生长出高质量单晶，为原子级动态观测奠定基础。通过结合同步辐射粉末衍射、冷冻三维电子衍射及X射线 单晶衍射 等多模态结构表征工具箱，团队精确捕捉了dynaCOF从“收缩态”到“张开态”的多步演化轨迹，揭示了亚胺键旋转与框架间弱相互作用重排是实现协同放大的核心机制。基于对能量景观的深入理解，团队进一步展示了如何通过化学官能化、晶体尺寸调控及多组元（MTV）策略来“编程”这种柔性，最终将其转化为高效的甲烷储存、湿度传感以及 VOC 荧光检测等前沿应用。这项工作为从分子层面设计具有自适应行为的智能吸附材料提供了系统的理论蓝图。

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AMR ： 您选择该领域的初心是？

作者团队：

传统的多孔材料往往是刚性的，但自然界中的蛋白质、DNA却通过精巧的构象变化实现复杂功能。我们团队始终着迷于这种“动态中的秩序”。刚性的骨架虽然稳定，却限制了功能的拓展；而完全无规的柔性又无法提供精准的识别位点。动态共价有机框架恰好处于二者之间——它既有共价键的强韧，又利用有机连接体的旋转自由度，让我们有机会在人工材料中复现类似血红蛋白那样的“ 别构效应 ”。我们希望能通过对原子级别动态过程的“可视化”，揭开材料宏观形变背后的微观机制，并最终利用这种机制，设计出能“感知”环境并做出反应的智能固体材料。

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AMR ： 您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们这篇Account的结尾提出了一个颇具雄心的愿景——“序列控制”。目前的动态COF设计更多依赖于经验探索，而我们的终极目标是实现像DNA或蛋白质那样的“信息编码”。设想一下，如果能在COF骨架中精确编排不同化学功能的连接体序列，如同编写程序代码一样，那么我们就能预定义其折叠、开合以及能量传递的路径。虽然目前这仍是长远蓝图，但我们已经通过COF-304和COF-305等体系验证了利用非共价相互作用实现有序复杂性的可行性。这条路漫长，但每一步都充满发现的惊 喜。

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AMR ： 请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

最激动人心的研究机会在于“动态过程的可视化与时间分辨”。目前我们主要依赖衍射捕捉反应物和生成物的稳态结构，这就像看一组延迟摄影的“快照”。未来，借助超快光谱和飞秒X射线自由电子激光等先进手段，我们有望追踪从光激发到键断裂、再到晶格宏观膨胀的“实时电影”。此外，“多级次环境适应性”也是一个巨大的蓝海。如何将这种纳米尺度的“呼吸”跨越微观界面传递到宏观薄膜或器件中，是打破实验室研究与实际应用壁垒的关键。

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AMR ： 您认为该领域当前最值得关注/最有争议的研究热点是什么？

作者团队：

当前最值得关注的热点无疑是“柔性储存与精准分离”。利用框架在特定气体或溶剂下的“门控效应”，我们可以实现极高的吸附选择性，这在石油化工中苯/环己烷的分离或天然气纯化中极具潜力。而争议点可能在于“互穿结构的必要性”。我们的工作表明，三维互穿网络是放大局部运动为宏观形变的关键机械放大器；但也有观点认为过多的互穿会增加刚性，降低孔隙率。如何在这对矛盾中寻找最优解，实现“刚柔并济”，是该领域持续争论和探索的核心科学问题。

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AMR ： 您有什么科研心得想分享给读者们？

作者团队：

在动态COF领域深耕近十年，我们最深的感触是：“眼见为实，但看到的必须是真实的动态。” 纳米尺度的结构解析极具迷惑性，稍微的晶格畸变或电子束损伤都可能导致错误归因。因此，我们团队极度依赖“多模态”表征的交叉验证。单靠吸附曲线推测结构往往是片面的，必须将衍射、电镜与光谱、计算模拟结合起来，形成完整的证据链。此外，耐心至关重要——为了得到一颗可供单晶衍射分析的50 μm级尺寸的晶体，我们发展了耗时6天的梯度扩散法。正是这种对极致的追求，才让我们看到了前人未曾分辨出的中间态结构。

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AMR ： 您对该领域的人才培养有何种倡议？

作者团队：

我们倡导“从合成到机制，再到器件”的全链条训练。动态COF的研究横跨有机合成、晶体工程、物理表征与理论计算，这对青年学者的综合素质要求极高。我们鼓励学生不要局限于自己的课题组或“舒适区”，尤其要主动拥抱三维 电子衍射 （3D-ED） 这类新兴表征技术，它是解决纳米晶或亚稳态结构难题的利器。同时，我们也提倡“做有温度的科研”，即课题的选择要源于对未知的好奇心，而非随波逐流，这样才能在面对数十次失败的晶体生长或复杂的精修计算时，依然保持探索的热情。

作者团队简介

章跃标（通讯作者）： 上海科技大学2060研究院副院长、物质科学与技术学院常任副教授（Tenured Associate Professor）。2006、2011年于中山大学分获学士、博士学位，师从陈小明院士；2011-2015年在加州大学伯克利分校等机构Omar M. Yaghi教授课题组从事博士后研究。2015年加入上海科技大学担任课题组长、研究员、助理教授。2022年晋升为常任副教授。2025年任2060研究院副院长。主要研究方向为多孔框架与碳中和能源应用。

曾腾武（第一作者）： 2023年于上海科技大学获得博士学位，时为华东理工大学化学与分子工程学院博士后。主要研究方向为动态三维共价有机框架的设计合成及多晶衍射结构解析。

魏蕾（共同作者）： 2020年于上海科技大学获得博士学位，时为上海科技大学物质科学与技术学院助理研究员。主要研究方向为复杂动态共价有机框架的设计与合成，擅长单晶生长与结构调控。

扫码阅读章跃标教授团队的精彩Account文章：

Dynamic Covalent Organic Frameworks: From Responsive Structures to Programmable Functions

Tengwu Zeng, Lei Wei and Yue-Biao Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/amrcda/article/doi/10.1021/accountsmr.6c00098

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