近日，美国化学学会旗下Journal of the American Chemical Society期刊在线发表了材料科学与工程学院王前、张青课题组及其合作者题为 “Curvature-Enhanced and Chirality-Modulated Anomalous Thermal Transport in Pentagonal Covalent Organic Framework Nanotubes”的研究论文 (https://doi.org/10.1021/jacs.6c10614)， 报道了他们在五边形共价有机框架纳米管热输运理论计算研究中所取得的新进展。

纳米管凭借其准一维几何结构和维度限域效应，长期以来一直是探索低维热输运的重要平台。其中，曲率和手性是定义管状构型并影响其物理性质的两个基本几何参数。迄今为止，对纳米管热输运的许多理解都建立在原子基体系之上，包括碳纳米管、氮化硼纳米管以及二硫化钼和二硫化钨等过渡金属硫族化合物纳米管。在这些体系中，曲率增大通常会引入弯曲应变、键角畸变和局域对称性破缺，增强声子散射并降低轴向热导率；与此同时，由于管壁通常由刚性且高度对称的原子网络构成，其热输运往往对卷曲方向，即手性，并不十分敏感。

然而，这一经典图景主要建立在刚性的原子晶格之上，对于具有本征柔性和层次复杂性的材料是否仍然适用尚不清楚。近年来网状化学的进展已将纳米管概念扩展到分子框架材料，促使了共价有机框架（Covalent organic framework, COF）纳米管的出现。与传统原子基纳米管不同，COF纳米管由周期性连接的分子节点和柔性有机连接体构成，具有丰富的构象自由度、显著的非谐振动以及可调的多孔结构。这种固有的结构和动力学特征可能从根本上改变几何结构与声子输运之间的相互作用，潜在地导致定性上全新的输运行为。由此产生了一个基本问题：当柔性分子框架由二维结构卷曲为一维纳米管后，传统原子基纳米管中关于曲率和手性的热输运规律是否仍然成立？

该团队以实验合成的二维五边形COF为母体，构建了一系列不同曲率和手性的一维纳米管。结合第一性原理计算，通过精确训练机器学习势函数，运用分子动力学模拟和振动分析，系统研究了其轴向热输运规律及微观机制。

图1. 五边形共价-有机框架纳米管从二维母晶格的结构衍生

图2. 通用机器学习势函数的Fine-tuning与力预测精度

研究发现，二维五边形有机框架卷曲形成纳米管后表现出两种区别于传统原子基纳米管的反常热输运行为：随着管径减小、曲率增大，其轴向热导率并未降低，反而显著升高，呈现随曲率增强而增强的热输运；在半径近似相同的情况下，纳米管轴向热导率呈现出传统原子基纳米管中较少出现的显著手性依赖性。

对振动机制的进一步分析表明，这两种反常行为源于五边形几何与框架柔性之间的耦合。卷曲产生的几何限域能够抑制柔性有机连接体的无序构象涨落，促进分子框架的构象有序化，从而增强低频声子的输运，解释了反常的曲率增强效应。与此同时，五边形母晶格所具有的低对称性和弹性各向异性使不同卷曲方向产生不同程度的轴向结构失配，并与卷曲诱导的构象有序化相互竞争，最终形成显著的手性依赖热输运。

图3. 五边形共价有机框架纳米管中曲率增强与手性调制的反常热输运

该研究揭示了一种不同于传统原子晶格的几何—柔性耦合声子输运机制，表明将五边形几何与柔性有机框架相结合，可以产生传统原子基低维材料中难以实现的热输运行为。研究进一步确立了曲率和手性作为调控一维五边形分子框架热输运的有效几何自由度，为理解和设计低维柔性框架材料的热物理性质提供了新的理论视角，引起学术界的广泛关注。

北京大学材料科学与工程学院博士研究生马心远为论文第一作者，北京大学材料科学与工程学院王前教授和张青副教授为论文共同通讯作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京大学高性能计算平台的支持。

该工作延续了课题组围绕五边形共价框架材料结构设计与物性开展的系列研究，相关前期成果见：

[1] Xinyuan Ma, Qing Zhang*, Qian Wang*, et al.J.Mater.Chem.A,2025,13(23),17811；

[2] Xinyuan Ma, Qing Zhang*, Qian Wang*, et al.ACS Nano,2026,20(1),349。