Bottom-up syntese af krystallinske 2-D polymerer

Forskere ved Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) ved TU Dresden er lykkedes med at syntetisere arklignende 2-D-polymerer ved en bottom-up-proces for første gang. En ny syntetisk reaktionsvej blev udviklet til dette formål. 2-D polymererne består kun af nogle få enkelte atomlag og, på grund af deres helt særlige egenskaber, er et lovende materiale til brug i elektroniske komponenter og systemer af en ny generation. Forskningsresultatet er et samarbejde mellem flere grupper ved TU Dresden og Ulm Universitetet og blev offentliggjort i denne uge i to relaterede artikler i de videnskabelige tidsskrifter Naturkemi og Naturkommunikation .

Lige siden Hermann Staudinger opdagede de lineære polymerer i 1920, det har været en drøm for syntetiske forskere at udvide polymeriseringen til den anden dimension. En todimensionel (2-D) polymer er et arklignende monomolekylært makromolekyle bestående af lateralt forbundne gentagelsesenheder med endegrupper langs alle kanter. I betragtning af den enorme kemiske og strukturelle mangfoldighed af byggestenene (dvs. monomerer), 2-D polymerer lover meget i det rationelle materialedesign, der er skræddersyet til næste generations applikationer, såsom membranadskillelse, elektronik, optiske enheder, energilagring og omdannelse, etc. Dog, på trods af den enorme udvikling inden for syntetisk kemi gennem det sidste århundrede, bottom-up syntesen af ​​2-D polymerer med definerede strukturer er fortsat en formidabel opgave.

Siden 2014 har en gruppe forskere fra Technische Universität Dresden og Universität Ulm gik sammen om at forfølge dette spændende, men udfordrende mål. Forskerholdet ledet af prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) udviklede innovativt en ny syntetisk rute:ved at bruge overfladeaktivt monolag som en blød skabelon til at guide den supramolekylære organisering af monomerer og den efterfølgende 2D-polymerisation ved en luft-vand-grænseflade. Denne syntetiske metodologi betegnes nu som overfladeaktivt-monolag-assisterende grænsefladesyntese (SMAIS). Ved at bruge SMAIS-metoden, Dr. Tao Zhang syntetiserede krystallinske quasi-2-D polyanilinfilm med sidestørrelse ~ 50 cm ² og afstemmelig tykkelse (2,6-30 nm).

De overlegne ladningstransportegenskaber og kemimodstandsevne over for ammoniak og flygtige organiske forbindelser gør quasi-2-D polyanilinfilmene som lovende elektroaktive materialer til organisk tyndfilmselektronik. For yderligere at udforske potentialet i SMAIS, Mr. Kejun Liu, Dr. Tao Zhang, Dr. Zhikun Zheng og Dr. Renhao Dong opnåede for første gang kontrolleret syntese af højkrystallinsk få-lags 2-D polyimid og polyamid. 2-D-polymererne har en tykkelse på kun få nanometer og kan let overføres til vilkårlige substrater, åbner op for spændende mulighed for integration af 2-D polymerer i næste generations enheder og systemer.

Sammen med den afgørende udvikling på syntesefronten, transmissionselektronmikroskopigruppen ledet af prof. dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) var endnu en uundværlig søjle i den fælles forskning. Siden udviklingen af ​​aberrationskorrektion, TEM-billeddannelse i høj opløsning har været en kraftfuld teknik til strukturel karakterisering ned til atomær skala. Endnu, hydrogenholdige organiske materialer er ekstremt tilbøjelige til strukturel opløsning under elektronstrålen, gør HRTEM-billeddannelse af 2-D-polymerer til en meget krævende mission. Ved at udnytte det sfærisk-aberrationskorrigerede HRTEM, Dr. Haoyuan Qi har med succes optrævlet mikromorfologien, molekylære strukturer, korngrænse og kantstrukturer, af de syntetiske 2-D polymerer:en præstation, som sjældent er rapporteret i litteraturen.

De molekylære strukturer og den samlede krystallinitet er blevet yderligere belyst via synkrotrongræsning-forekomst røntgenstråling (cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresden). Gruppen af ​​Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) leverede tæthedsfunktionelle tætbindende beregninger, som giver betydelig indsigt i de atomistiske strukturer af de syntetiske 2-D polymerer.