Forskere opnår hidtil uset kontrol over polymergitre

Syntetiske polymerer er allestedsnærværende - nylon, polyester, Teflon og epoxy, for blot at nævne nogle få – og disse polymerer er alle lange, lineære strukturer, der vikler sig ind i upræcise strukturer. Kemikere har længe drømt om at lave polymerer med todimensionelle, gitterlignende strukturer, men dette mål har vist sig at være udfordrende.

De første eksempler på sådanne strukturer, nu kendt som kovalente organiske rammer (COF'er), blev opdaget i 2005, men deres kvalitet har været dårlig, og tilberedningsmetoderne er ukontrollerede. Nu er et forskningshold fra Northwestern University det første til at producere højkvalitetsversioner af disse materialer, demonstrere deres overlegne egenskaber og kontrollere deres vækst.

Forskerne udviklede en to-trins vækstproces, der producerer organiske polymerer med krystallinske, todimensionelle strukturer. Præcisionen af ​​materialets struktur og det tomme rum, dets sekskantede porer giver, vil gøre det muligt for forskere at designe nye materialer med ønskelige egenskaber.

Selv COF'er af lav kvalitet har vist et foreløbigt løfte for vandrensning, opbevaring af elektricitet, panser og andre hårde kompositmaterialer. Efter at have udviklet sig yderligere, prøver af højere kvalitet af disse materialer vil gøre det muligt at udforske disse applikationer mere fuldstændigt.

"Disse kovalente-organiske rammer udfylder et århundrede langt hul i polymervidenskab, " sagde William Dichtel, en ekspert i organisk og polymerkemi, der ledede undersøgelsen. "Det meste plastik er langt, lineære strukturer, der vikler sig sammen som spaghetti. Vi har lavet bestilte todimensionelle polymerer, hvor byggestenene er arrangeret i et perfekt gitter af gentagende sekskanter. Dette giver os præcis kontrol over strukturen og dens egenskaber."

Dichtel er Robert L. Letsinger-professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

Studiet, "Seeded Growth of Single-Crystal Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks, " udgives den 21. juni af tidsskriftet Videnskab via første udgivelse. (Avisen vises på tryk på et senere tidspunkt.)

2-D COF'erne har permanente porer og ekstremt stort overfladeareal. Forestil dig overfladearealet af en fodboldbane indeholdt i omkring to gram materiale, eller to papirclips, sagde Dichtel. Hvert lille hul har samme størrelse og form og har nøjagtig samme sammensætning.

I to-trins processen, forskerne dyrker først små partikel-"frø", som de langsomt tilføjer flere af byggestenene, under nøje kontrollerede forhold. Den langsomme tilføjelse får byggestenene til at tilføje til frøene i stedet for at skabe nye frø. Resultatet er større, partikler af høj kvalitet, der består af store, sekskantede plader i stedet for en masse aggregerede krystaller.

"Dette er primært et syntesepapir, men vi målte også egenskaber, der kun fremkommer i disse prøver af høj kvalitet, " sagde Dichtel. "F.eks. vi viser, at energi kan bevæge sig gennem hele strukturen, efter at den har absorberet lys, som kan være nyttigt ved konvertering af solenergi."

Når 2-D COF'erne blev dyrket, andre kemikere Nathan C. Gianneschi og Lucas R. Parent studerede omhyggeligt partiklerne ved hjælp af et elektronmikroskop. De bekræftede, at partiklerne er individuelle og ikke aggregerede og er perfekt ensartede gennem hele strukturen.

Gianneschi er Jacob og Rosaline Cohn-professor i afdelingen for kemi på Weinberg College. Han er også professor i afdelingerne for materialevidenskab og ingeniørvidenskab og i biomedicinsk ingeniørvidenskab på McCormick School of Engineering. Forælder er postdoc i Gianneschis gruppe. Begge er medforfattere til avisen.

Næste, Lin X. Chen og Richard D. Schaller målte, hvordan et af materialerne interagerer med lys. Deres undersøgelser viser, at energi kan bevæge sig gennem disse materialer over meget længere afstande end de størrelser, der er tilgængelige med gamle metoder.

Chen er professor i kemi, og Schaller er adjunkt i kemi, begge i Weinberg. Begge er medforfattere til avisen.

"Dette studie har været meget glædeligt - at kunne dyrke disse materialer med succes og begynde at se deres løfte, "Dichtel, som har studeret COF'er i et årti. "Vi tror, ​​at denne udvikling vil være muliggørende for området polymervidenskab."