近日，上海大学材料基因组工程研究院孙强教授课题组与北京理工大学蒋伟教授课题组合作，通过分子轨道设计成功构建了电子结构可调的Honeycomb晶格与(Breathing)Kagome晶格的二维金属有机框架（MOF）材料，相关成果以“Tunable Electronic Honeycomb and (Breathing) Kagome Lattices through Molecular Orbital Design in 2D Metal-Organic Frameworks”为题发表于化学顶级期刊《Angewandte ChemieInternational Edition》（最新影响因子：17.0）。
蜂巢晶格（Honeycomb）与Kagome晶格因其能够承载狄拉克费米子与平带电子态，已成为探索非常规超导、拓扑量子态等关联量子现象的核心平台。然而，传统无机材料中原子轨道的刚性严重限制了电子结构的可调性。金属有机框架（MOF）材料虽为能带工程提供了全新的分子设计范式，但其实验合成长期面临精准调控的挑战。
针对上述难题，研究团队创新性地提出了基于前沿分子轨道（FMO）设计的二维MOF构筑策略。通过设计具有三对称构型的有机配体（TPT与PTD），利用其LUMO轨道的Px/Py/Pz对称性模拟原子轨道行为，结合表面配位化学方法，在Cu(111)单晶表面上成功制备了三种具有不同电子晶格特征的MOF纳米结构：Cu3(TPT)2（蜂巢晶格）、Cu3(PTD)2（Kagome晶格）以及异质配体构建的Cu3-TPT-PTD（呼吸式Kagome晶格）。通过高分辨扫描隧道显微镜（STM）直接解析了这些MOF的亚分子级结构细节。
电子结构可调的二维MOF构建与STM表征及电子结构计算示意图
结合扫描隧道谱（STS）、第一性原理计算（DFT）及紧束缚模型（TB）分析，研究团队证实了这些MOF中可调的类狄拉克锥与平带电子态。具体而言，通过改变配体的共轭长度与分子尺寸，可系统调控晶格内的跳迁参数，从而在蜂巢晶格与Kagome晶格之间实现连续演变；而混合配体策略则进一步打破了晶格对称性，成功构筑了呼吸式Kagome晶格并打开了能隙。这一成果将理论能带工程与实验材料设计紧密结合，为探索关联量子相变、拓扑态及未来量子器件开发提供了全新的固态平台。
该论文由上海大学与北京理工大学合作完成。上海大学材料基因组工程研究院博士研究生陆佳宜与北京理工大学陈奕凯为论文共同第一作者，孙强教授与蒋伟教授为共同通讯作者。上海大学材料基因组工程研究院为第一完成单位。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：http://doi.org/10.1002/anie.4470567
MGI智能化表面科学和纳米制造课题组近年来聚焦于利用数据挖掘、机器学习和人工智能方法，结合高通量实验手段探索人工智能在表面科学中的应用，以及开展新型表面化学反应的探索。致力于培养具备“重基础、跨学科、国际化”理念的材料基因特色人才。
课题组网站：https://www.qiangsungroup.cn
