En bedre byggesten til at skabe nye materialer

Når kemikere eller ingeniører vil lave en ny type materiale, de går til laboratoriet og begynder at "lave mad". Ligesom at prøve at forbedre en madopskrift, processen involverer at prøve nye kemiske ingredienser eller justere tilberedningstider og temperaturer. Men hvad nu hvis i stedet for at stole på en tidskrævende proces uden garantier for succes, kunne videnskabsmænd simpelthen "snæppe" forskellige kemiske "stykker" sammen for at lave noget nyt?

I en undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , et team af forskere fra University of Pennsylvania, University of Nebraska-Lincoln (UNL), Colorado School of Mines, og Harbin Institute of Technology, i Kina, beskriver en ny tilgang til at syntetisere organiske "legos", der nemt kan forbindes til at lave nye materialer. Denne ramme skaber strukturer, der er lette, porøs, og hurtig at syntetisere og let modificeret for at skabe nye materialer med unikke egenskaber.

Undersøgelsen fokuserer på en relativt ny struktur kendt som kovalente organiske rammer, eller COF'er. COF'er er 2-D og 3-D organiske faste stoffer holdt sammen med stærke, kovalente bindinger. COF'er har krystallinske strukturer lavet af lette elementer som kulstof, nitrogen, og ilt, gør dem lette og holdbare. Ligesom individuelle legobrikker, individuelle kemiske byggeklodser kan samles på definerede måder til en større struktur, der kan planlægges meget detaljeret i stedet for at blande komponenter i en blanding og se, hvad der kommer ud.

De specifikke byggesten brugt i denne undersøgelse er kendt som porphyriner, en familie af organiske strukturer, der findes i proteiner som hæmoglobin og klorofyl. Disse strukturer inkluderer et metalatom i deres centrum, og forskere vil gerne bruge dette reaktive atom til at skabe COF-materialer med forbedrede egenskaber. Men på trods af det store antal potentielle anvendelser, lige fra brintlagring til kulstoffangst, disse typer COF'er har praktiske begrænsninger. At lave COF'er er en langsom proces, og det kan tage flere dage bare at skabe et gram materiale. Eksisterende metoder er også kun i stand til at lave COF i pulverform, gør dem meget sværere at bearbejde eller overføre til andre materialer.

Med teamet hos UNL, der bruger deres ekspertise inden for elektropolymerisering, en metode til at kontrollere polymersyntese på et substrat, der leder elektricitet, forskerne fandt ud af, at de kunne bruge elektricitet til at skabe tynde film af COF'er. Det resulterende materiale, 2-D ark stablet i flere lag, er let og varmetolerant og tager timer at syntetisere i stedet for dage. "Denne metode er hurtig, enkelt og billigt, og du muliggør afsætning af en tynd film på en række ledende substrater, " siger Elham Tavakoli, der ledede undersøgelsen sammen med UNL-studerende Shayan Kaviani under vejledning af adjunkt Siamak Nejati. "Gennem denne tilgang, vi kan undgå de fælles udfordringer med COF-syntesen gennem konventionel solvotermisk metode."

Efter at have studeret strukturen af ​​de deponerede COF'er mere detaljeret, imidlertid, forskerne fandt noget, de ikke kunne forklare:mellemlagsafstandene, eller hvor langt 2D-arkene var fra hinanden, var meget større end forventet. Eksperimentalisterne henvendte sig derefter til teoretiske kemikere i Penn for at afgøre, hvad der foregik.

Efter at have forsøgt at skabe en teoretisk model, der nøjagtigt ville beskrive COF's struktur, Penn postdoc Arvin Kakekhani indså, at der måtte mangle noget fra deres model. Kakekhani studerede listen over alle kemikalier, der blev brugt i COF's synteseproces for at se, om nogen af ​​tilsætningsstofferne kunne forklare deres uventede resultater. Forskerne var overraskede over at opdage, at et "tilskuer"-molekyle, en, som de troede kun gav det elektrokemiske miljø, der var nødvendigt for, at reaktionen kunne opstå, var en væsentlig bestanddel af COF's struktur.

Ideen om, at et molekyle som pyridin, et lille organisk molekyle med en simpel ringstruktur, kan hjælpe med at danne krystaller er ikke et nyt begreb i kemi, men det blev ikke anset for at være vigtigt for COF-strukturen før denne undersøgelse. Nu, forskerne har en bedre forståelse af, hvordan denne tilskuer passer perfekt ind i 2-D-lagene og giver den nødvendige støtte til COF'erne til at danne en krystalstruktur. "Disse mindre pyridinmolekyler går faktisk ind i materialet og bliver en del af krystallen, " siger Kakekhani.

Denne nye tilgang er nu et udgangspunkt for at skabe adskillige typer materialer. Ved at ændre reaktionsbetingelserne og typerne af COF-byggesten, der bruges og ved at erstatte pyridinet med et andet lille molekyle, mulighederne for at skabe nye materialer med unikke egenskaber er uendelige. "COF'er er ikke så gamle, så de har masser af uopdagede punkter, " siger Tavakoli. "Jeg ser frem til at finde flere af disse myter på dette felt."

På kort sigt, forskerne håber at kunne tune de katalytiske egenskaber af syntetiserede COF'er og at udvikle sted-isolerede katalysatorer, stoffer, der øger hastigheden af ​​en kemisk reaktion, som er væsentlige komponenter i industrielle processer. "Vores nuværende COF har kemisk reaktivitet, men det kan øges meget gennem små modifikationer, " siger Andrew M. Rappe, Blanchard professor i kemi ved Penns School of Arts and Sciences. "Vores team kan tage én platform og lave mange materialer med forskellige funktionaliteter, alt sammen baseret på det arbejde, der er rapporteret her."

"Vi forudser, at den udviklede platform vil give os mulighed for at designe og realisere mange funktionelle grænseflader, som endnu ikke er undersøgt. En bred vifte af applikationer, såsom høj selektiv separation og effektiv katalyse, kan forestilles for disse systemer, " siger Nejati.

Kakekhani understreger, at arbejdet også viser vigtigheden af, at teoretikere og eksperimentalister arbejder i tæt samarbejde. "Det handlede ikke kun om at have noget, der matchede deres data, " han siger, "men om at skabe noget indsigt, der kan gøre disse materialer bedre. Det kræver to til tango, og hvis vi finder en måde at bruge hinandens indsigt på, der er plads til at opdage nye ting."