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单晶共价有机框架（COFs）因其明确的结构与优异的性能而备受关注，然而其生长过程中晶面演化的反应路径尚不明确，这限制了对晶体形状与功能的调控。传统研究多基于最终结构的表征，难以直接观察晶体生长过程中的动态变化。因此，亟需一种能够在反应条件下直接追踪晶体结构与形貌演变的技术，以深入理解晶面发育机制，并为设计高性能COF晶体提供理论指导。
图1 在12 mg对苯二醛存在下，COF-300晶体生长过程中晶面发育的原位暗场显微镜成像结果
西南科技大学何毅团队采用原位暗场光学显微镜实时成像技术，直接观察了由四（4-苯氨基）甲烷与对苯二醛缩合形成的单晶COF-300在生长过程中的晶面演化行为。研究发现，对苯二醛的浓度不仅影响初始晶种的形貌，还调控晶面生长路径，从而得到三种不同形状的COF-300微晶。
机理研究表明，晶体形状的演变取决于对苯二醛浓度所诱导的热力学或动力学控制生长路径。此外，研究还揭示了晶体形貌对其溶剂吸收后变形能力的影响，表明通过调控特定晶面的面积分数可有效调节COF框架的柔韧性。
图2 对苯二醛浓度调控COF-300晶面发育的作用机制
该项研究通过原位暗场显微镜实时观测与理论计算相结合，阐明了单晶COF-300生长过程中晶面演化的动态机制，揭示了对苯二醛作为反应物与形貌调节剂的双重作用。不同形貌的COF-300晶体表现出差异化的变形能力，其变形程度与{021}晶面的面积分数正相关。这一发现表明，通过调控晶体形貌而非改变拓扑结构，可实现COF材料柔韧性的精准设计，为今后开发高性能、可调控的单晶COF材料提供了重要的理论与实验基础。
Qianxi Wang et al., Direct imaging of facet development during growth of single-crystal covalent organic frameworks. Sci. Adv.11, eadz8131(2025). DOI:10.1126/sciadv.adz8131
