Ny konkurrence om MOF'er:Forskere laver stærkere COF'er

Hule molekylære strukturer kendt som COF'er (kovalente organiske rammer), som kan tjene som selektive filtre eller beholdere til andre stoffer og have mange andre potentielle anvendelser, har også en tendens til at lide af et iboende problem:Det er svært at holde et netværk af COF'er forbundet i hårde kemiske miljøer.

Den konventionelle kemi til at forbinde byggesten til 2-D COF-plader eller 3-D COF-rammer er reversibel. Denne reversibilitet gør forbindelserne inden for COF svage og ustabile i nogle kemiske miljøer, begrænsning af de praktiske anvendelser af disse COF -materialer.

Nu, et team ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har brugt en kemisk proces, der blev opdaget for årtier siden for at gøre forbindelserne mellem COF'er meget mere robuste, og at give COF'erne nye egenskaber, der kan udvide deres applikationer.

"Det er som en 'vævning' og svejsetilgang, "sagde Yi Liu, en personaleforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry. Liu ledede et team, der fandt ud af, hvordan man styrker de svageste led, der binder COF'er.

Denne enkle kemiske tilgang retter sig mod en kemisk reaktion på området for disse svage led, danne elastiske bindinger, der viste sig at holde - som en stærk svejsning - til hårde kemiske miljøer under forsøg.

Teamets fund er detaljeret i en undersøgelse, rapporterede tirsdag i journalen Naturkommunikation , der beskriver, hvordan teknikken fungerer.

"Her viser vi, at disse bindinger er usædvanligt stabile over for en række forskellige kemikalier. Vi har prøvet hårde forhold, og det opretholder stadig disse bindinger, "Sagde Liu." Dette slår alt, hvad der rapporteres i litteraturen. "

Den kemiske transformation, bemærkede han, gør bindingerne mellem COF'er mere nyttige ved at ændre deres elektroniske og optiske (lysbaserede) egenskaber, for eksempel. "De kan lettere overføre elektroner efter reaktionen, " han sagde, så 2-D lag af disse stærkt bundne COF'er opfører sig mere som grafen, et andet eksotisk 2-D materiale, der udviser særlige elektroniske og optiske egenskaber.

Xinle Li, en postdoktor ved Molecular Foundry og undersøgelsens hovedforfatter, sagde, "Vi gav den reaktionsproces, første gang rapporteret i 1960'erne, et nyt liv. Vi anvendte det på COF'er for første gang. "

COF'er er blevet stærkt undersøgt, fordi de er meget tunable og udelukkende kan bestå af lette elementer som kulstof, brint, nitrogen, og ilt-i modsætning til strukturer kendt som MOF'er (metal-organiske rammer), der indeholder tungere elementer. Forskere kan lave COF'er med forskellige porestørrelser, der kan påvirke deres funktion, ændre, hvad der kan passere gennem dem, eller hvad der kan være indeholdt i disse porer.

Dette kan gøre de COF-baserede materialer nyttige i systemer, der filtrerer uønskede kemikalier fra vand, for eksempel, reducere kuldioxid til andre kemiske former med merværdi, eller tjene som yderst effektive facilitatorer for andre former for kemiske processer.

Et vigtigt aspekt af undersøgelsen var brugen af ​​avancerede billeddannelsesteknikker, såsom højopløselig transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) på Molecular Foundry for at se strukturen af ​​de bundne COF'er, Sagde Liu og Li.

Forskerne sagde, at de opnåede billeder, som tydeligt viser det bikagelignende gitter af 2-D COF'er, er blandt de bedste billeder endnu af COF'er, bekræfter de kemiske ændringer i COF'erne ned til en brøkdel af et nanometer (et nanometer er 1 milliarddel af en meter).

"Før og efter reaktionen, porestørrelsen ændres med ca. 0,3 nanometer, Sagde Liu. "Du kan se disse forskelle før og efter reaktionen."

For at udføre den kemiske modifikationsreaktion, forskerne placerede COF'erne i en flydende opløsning, der blev opvarmet til omkring 230 grader Fahrenheit, og omrørte det derefter.

Forskere sagde, at det burde være muligt at skalere mængden af ​​de COF-baserede materialer, og teamet har allerede eksperimenteret med at bruge COF -ark med andre materialelag til at tilpasse funktionen af ​​det kombinerede materiale.

Teamet planlægger at teste, hvordan man bedre automatiserer produktionen af ​​disse COF -materialer, og vil også forfølge måder at gøre reaktionsprocessen mere effektiv. Teamet vil undersøge teorier for at hjælpe med at forstå og forbedre den COF-ændrende kemi.

"Vi ønsker at gøre denne kemiske modificeringsproces endnu hurtigere og bedre, "Sagde Li." Vi håber, at vi kan gøre reaktionsbetingelserne mildere, og yderligere øge den kemiske stabilitet og funktionalitet af COF'er. "

Teamets arbejde er en af ​​de første offentliggjorte bestræbelser på et nyt program på Molecular Foundry med det formål at fremme "kombinatorisk nanovidenskab", der er fokuseret på at bruge processer med høj gennemstrømning, i kombination med teori og billedteknologi, at skabe og studere nanostrukturer, der er komponenter i nye materialer med forbedrede egenskaber.