通过将一对扭曲的分子结构融合在一起，康奈尔大学的研究人员创造了一种多孔晶体，它可以吸收锂离子电解质，并通过一维纳米通道顺畅地运输它们——这种设计可能会导致更安全的固态锂离子电池。

　　该团队的论文《用于快速锂离子传输的熔融大环笼分子的超分子组装》发表在《美国化学学会杂志》上。第一作者:王玉哲。

　　该项目由康奈尔大学工程学院材料科学与工程助理教授、论文资深作者钟宇领导，他的实验室专门研究可以推进储能和可持续性技术的软材料和纳米材料的合成。

　　两年前，钟刚加入康奈尔大学，就被王联系上了。王是一名大三的本科转校生，对参与一个研究项目充满热情。

　　在钟的潜在课题列表中，最重要的是找到一种制造更安全的锂离子电池的方法。在传统的锂离子电池中，离子通过液体电解质来回穿梭。但是液体电解质会在电池的阳极和阴极之间形成尖状的树突，这会使电池短路，或者在极少数情况下会爆炸。

　　固态电池会更安全，但也有其自身的挑战。离子在固体中的移动速度较慢，因为它们面临更大的阻力。钟想设计一种新的晶体，它有足够的多孔性，离子可以通过某种途径移动。这条通道需要是平滑的，锂离子和晶体之间的相互作用很弱，这样离子就不会粘在一起。而且晶体需要容纳足够的离子来保证离子的高浓度。

　　王开始工作，并设计了一种方法，将两个具有互补形状的偏心分子结构融合在一起:大环和分子笼。大环是由12个或更多原子组成的分子环，而分子笼是多环化合物，或多或少与它们的名字相似。

　　“大环和分子笼都有内在的孔隙，离子可以在其中停留和通过，”王说。“通过使用它们作为多孔晶体的基石，晶体将有大的空间来存储离子和相互连接的离子运输通道。”

　　王将这些成分融合在一起，中间是一个分子笼，三个大环呈放射状相连，就像翅膀或手臂一样。这些大环笼分子利用氢键和它们的互锁形状自组装成更大、更复杂的三维纳米多孔晶体，具有一维通道——“离子运输的理想途径”，据钟说，离子电导率高达8.3 × 10-4西门子每厘米。

　　“这种导电性是这些基于分子的固态锂离子导电电解质的最高记录，”钟说。

　　一旦研究人员有了他们的晶体，他们需要更好地了解它的组成，所以他们与材料科学与工程教授Judy Cha博士合作，她使用扫描透射电子显微镜来探索它的结构，以及机械和航空航天工程助理教授Jingjie Yeo，他的模拟澄清了分子和锂离子之间的相互作用。

　　“所以，把所有的碎片放在一起，我们最终建立了一个很好的理解，为什么这种结构对离子传输真的很好，为什么我们用这种材料获得如此高的导电性，”钟说。

　　除了制造更安全的锂离子电池外，这种材料还可能用于分离水净化中的离子和分子，以及制造用于生物电子电路和传感器的混合离子-电子传导结构。

　　“这种大环笼分子绝对是这个领域的新事物，”钟说。“分子笼和大环已经为人所知有一段时间了，但如何真正利用这两种分子的独特几何形状来指导新的、更复杂的结构的自组装，这是一个尚未探索的领域。”

　　“现在，在我们的团队中，我们正在研究不同分子的合成，我们如何将它们组装起来，制造出具有不同几何形状的分子，这样我们就可以扩大制造新型纳米多孔材料的所有可能性。也许是为了锂离子的导电性，也许是为了许多其他不同的应用。”

　　共同作者:博士生王开阳;硕士生Ashutosh Garudapalli;博士后研究员Stephen Funni和Qiyi Fang;以及来自莱斯大学、芝加哥大学和哥伦比亚大学的研究人员。