近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授马浩团队在离子共价有机框架（ICOFs）材料的热导率特性研究方面取得重要进展。该研究通过利用随机微扰法和迭代构建了一个可以准确描述ICOFs的神经演化机器学习势（NEP），以驱动的大尺度分子动力学模拟（GPUMD package），首次系统揭示了ICOFs材料在不同方向上的热传导特性及其微观机制。相关研究成果以《Decoding the Thermal Conductivity of Ionic Covalent Organic Frameworks: Optical Phonons as Key Determinants Revealed by Neuroevolution Potential》为题，在国际知名学术期刊《Materials Today Physics》正式接受发表。这一成果为ICOFs材料在高效热管理和分子分离领域的应用提供了重要理论支持。

研究背景  

离子共价有机框架（ICOFs）是一类结合了离子键和共价键的新型多孔材料，兼具金属-有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）的优势。由于其规则的孔道结构和可调控的合成特性，ICOFs在分子筛分、气体分离等领域展现出广阔的应用前景。然而，其热传导特性并未得到充分研究。深入理解ICOFs中离子键和共价键的协同作用对热导率的影响，对于优化其在热管理领域的应用至关重要。

图一 ICOF-10n-Li/Na (n=1, 2, and 3)的结构

研究方法

研究团队以ICOF-10n-Li/Na（n=1, 2, 3）为例（图一），开发了一种基于机器学习的神经进化势函数（NEP）（图二），并利用该势函数进行了大规模分子动力学模拟。通过均相非平衡分子动力学方法（HNEMD）和谱热导率分解技术，团队系统研究了ICOFs在垂直于孔道方向（x方向）和沿孔道方向（z方向）的热导率特性，并进一步分析了连接基团和层间离子对热传导的影响。

图二 NEP势函数的训练表现

研究发现

1.热导率特性：   

在x方向上，ICOFs的热导率高达4.04 ± 0.20 W m⁻¹ K⁻¹，主要由高频光学声子主导（贡献约94%）。 在z方向上为0.74 ± 0.02 W m⁻¹ K⁻¹，主要由低频声学声子主导（贡献约67%）。ICOFs的热导率显著高于其他低密度纳米多孔材料如MOFs、COFs和HOFs（图三）。

图三 ICOF-10n-Li/Na (n=1, 2, and 3)的热导率及其与同类型材料对比

2.微观机制：   

不同连接基团对声子散射的程度不同，对x方向光学声子的寿命有显著影响（图四），从而出现了热容与热导率的反常变化关系；而不同层间离子半径导致层间距的差异，则主要影响z方向声学声子的群速度，从而使得层间距小的结构有更高热导率（图五）。在x方向，光学声子在决定ICOFs热行为中起关键作用（约为94%），其贡献远高于传统材料（如硅纳米线约为20%和BaSnS₂约为68%）；在z方向，声学声子占主导（约为67%）。   

图四 x方向热导率差异的声子学解释

图五 z方向热导率差异的声子学解释

研究意义

该研究不仅揭示了ICOFs材料热传导的微观机制，还为设计具有特定热性能的ICOFs材料提供了理论指导。研究结果表明，通过调控连接基团和层间离子，可以实现ICOFs在高效热管理和分子分离领域的优化应用。这一发现为ICOFs材料在能源、环境和电子器件等领域的应用开辟了新的可能性。

研究团队

该研究由中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授马浩为该论文通讯作者，硕士研究生李可为第一作者。研究得到了中国科学技术大学启动经费的支持，并依托学校超级计算中心的高性能计算资源完成。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101724