为基于醇盐的玻璃与液体的模块化设计重新配置节点-连接子-调节剂化学空间

面向日常玻璃的新构件

窗户、手机屏幕和光纤都由玻璃制成，但大多数玻璃的化学成分和性能范围都很有限。本文探讨了一种用模块化分子部件构建玻璃材料的新方法，更像是拼接乐高积木，而不是熔化沙子。通过这种方式，研究人员打开了一条通往定制玻璃的路径，这些玻璃可以是液态、橡胶状或固态，甚至可以在电子器件中发光。

从晶体框架到可成型玻璃

现代材料化学家常常设计刚性晶体框架，其中金属原子由有机连接子以整齐重复的方式相连。这类所谓的网格化材料几乎可以按需调节，但只有少数可以在熔融并淬火后仍保持完整而形成玻璃。作者提出：用于晶体的相同设计逻辑能否被引入到混乱的、非晶体的玻璃世界中？他们的核心观点是一个简单的公式：每种材料都由节点（金属‑氧簇）、连接子（桥接节点的多齿醇分子）和调节剂（与连接子竞争占据节点位置的单齿醇）构成。

用分子调节剂调控连通性

在这些材料中，调节剂像临时的间隔物。当大量调节剂存在时，它们阻止连接子将节点连接起来，因此结构更像稀松的分子汤，粘度低、流动性接近液体。随着调节剂被移除——通过挥发醇溶剂或选择较低的调节剂比例——更多连接子可以在节点之间建立桥连。这会逐步将体系转变为纠结的聚合物状网络，抵抗流动并最终成为刚性玻璃。通过流变学（测量黏度）、量热学（追踪玻璃转变）和X射线全散射（探测局部结构），团队显示降低调节剂含量会稳步提高连通性、上调玻璃转变温度并降低比热跳变，这些都是网络更刚性、更强连通的标志。

在弱吸引力与强键之间取得平衡

这些体系的玻璃转变温度并非由单一因素决定，而是在分子间弱的非共价吸引力与将网络缝合在一起的强共价样键之间的拉锯中产生的。通过将液态调节剂换成固体调节剂，或改变连接子的柔性与形状，作者能够识别出何时行为由调节剂–调节剂相互作用主导（类似浓缩溶液），何时则由网络本身主导。在某些系列中，增加节点–连接子键总是使材料变刚并提高其玻璃转变温度。在另一些系列中，尤其是基于柔性聚醚连接子的体系，先是减少调节剂会先使玻璃转变温度下降——因为有利的弱相互作用被损失——随后随着网络的增长最终占据主导，推动转变温度回升。

更换金属，甚至去掉金属

为证明他们的策略确实具有模块性，研究者们从钛簇延伸到由锆构建的类似体系，甚至到具有类似醇盐型连接的全有机硼基网络。在这些家族中，相同的节点‑连接子‑调节剂规则依然适用：金属或硼簇作为枢纽，柔性连接子将其连结，小的类醇分子微调连通性与运动学。X射线散射和成分分析证实了所有这些材料都形成具有可调局部结构和热学行为的非晶网络，显著扩大了可实现玻璃的“化学空间”。

点亮模块化玻璃

最后，团队展示了这种设计自由的实际回报。他们将一个荧光芳香族连接子嵌入钛、锆和硼网络，制备出明亮的蓝色发光玻璃材料。特别是基于硼的玻璃达到了较高的量子产率，并且可以铸造成透明板。作为概念验证，作者将这种玻璃用作一个简单交流电电致发光器件的发光层，其中来自碳纳米管和金属接触的注入电荷复合产生光。尽管该原型在相对高电压下工作且未经优化，但它表明这些模块化网络玻璃既可以像聚合物一样进行加工，又保留了网格化框架的稳健性和设计灵活性。

为何这对未来材料很重要

通过将玻璃材料视为节点、连接子和调节剂的组合，这项工作把网格化化学的强大“混搭”思路引入了非晶固体领域。其结果是一套多功能配方，用于设计醇盐基玻璃，其流动性、刚度和光学特性可以通过改变少数分子构件及其比例来调控。这样的掌控力最终可能产生可定制、可加工的玻璃，用于显示、传感器及其它光电技术——这些玻璃不是由单一固定成分制成，而是由模块化的化学部件构建。

引用: Liu, Y., Geng, Y., Deng, Y. et al. Reticulating node-linker-modulator chemical spaces for modular design of alkoxide-based glasses and liquids. Nat Commun 17, 1863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68591-1

关键词: 玻璃材料, 网格化化学, 醇盐网络, 模块化设计, 电致发光玻璃