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一直以来，非晶结构起源及结构转变机制都是凝聚态物理和材料科学领域中的科学难题。金属有机框架（MOF）玻璃自2015年被丹麦奥尔堡大学岳远征教授及合作者发现以来，凭借组分可控、没有晶界、透明、及多孔特性，吸引了相关研究者广泛关注和深入研究，其应用的前景也不断展现出来。另一方面，很明显在发现新型MOF玻璃体系以及MOF玻璃的可定制设计上还面临很大挑战。为了克服这些挑战，我们必须深入了解MOF非晶化过程的结构演变以及不同条件下的相变机制。尽管在高温高压条件下MOF晶态结构转变的研究上取得了进展，但在这种极端环境下的非晶结构转变很难通过实验手段（如衍射实验）来鉴定和表征。分子模拟作为常用研究非晶材料的方法，却受限于计算的精度或模拟的尺度。
为此，丹麦奥尔堡大学Morten M. Smedskjaer教授团队与奥尔堡大学岳远征教授、加州大学洛杉矶分校Mathieu Bauchy博士及密西根科技大学黎善武博士合作以沸石咪唑酯骨架(ZIF)体系为研究对象，构建了深度学习力场（DLFF）用于晶态和非晶态ZIF的分子模拟，实现了媲美第一性原理（AIMD）精度模拟ZIF晶体熔化和玻璃形成的结构演变过程。基于足够精度和较大尺度的分子动力学模拟，该研究提出了一个新的结构描述符，即环取向指数，以描述ZIF-4玻璃的中程序结构。该研究以“Deciphering the Controlling Factors for Phase Transitions in Zeolitic Imidazolate Frameworks”为题发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上，奥尔堡大学博士后杜涛为该文第一作者，Morten M. Smedskjaer教授为通讯作者。
研究团队首先关注锌局部结构（短程序结构）。随着压力的增加，对分布函数的三个主要峰变得更宽，说明短程结构更加无序。四配位的锌离子占比随着加热逐渐减少，并随着压力的增加进一步减少。结合锌的局部熵进一步说明锌的局部结构（短程结构）存在压力诱导的无序化转变。
图1. 基于DLFF模拟不同压强下ZIF-4的熔化过程及通过平均熵表征锌四面体结构序变化。
为分析ZIF-4的中程序结构，基于咪唑环取向的球极平面投影提出了环取向参数（ROI）。取向极图表明，在不同压力下取向极图随着加热均变得越来越模糊。ROI值随温度升高而降低，验证了加热过程ZIF-4的无序化。然而，随着加压，ZIF-4中程结构变得更有序，环的取向变得更加各向异性。
图2. 基于环取向描述不同压强下咪唑环取向随熔化重新定向的过程。
通过锌的平均熵与咪唑环ROI结合，可以区分在不同压力下熔融淬火的ZIF-4的相变过程。晶态ZIF具有较大的ROI值和较小的熵，表明锌四面体和咪唑环取向高度有序。液态相的金属四面体和咪唑环均表现出无序的结构，而玻璃结构位于晶态和液态相之间。随着压强升高，ZIF-4的结构向更高熵和ROI的状态转变，表明了压力诱导玻璃化和结晶之间的多元效应。由此说明，熵-ROI图可以区分晶态和非晶态ZIF的结构差异。
图3. 基于环取向指数和锌平均熵描述不同ZIF结晶和非晶结构。
该研究提出了基于深度学习的力场，可用于模拟高温高压下的ZIF体系，并可拓展到其他ZIF的功能化衍生物。通过咪唑环取向的球极平面投影，该研究提出了表征中程序结构环取向的结构描述符即环取向参数（ROI）。结合锌局部熵，这两种结构描述符能够对不同ZIF结构（包括晶态和非晶态）进行区分。这项工作提出的DLFF和结构描述符同样适用于其他MOF的相变研究，并引导新型杂化玻璃的设计和实现玻璃功能和性能的提升。
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