Nyt lys til fremstilling af todimensionelle polymerer

Et internationalt forskerhold med medlemmer fra Linköpings Universitet, det tekniske universitet i München og Deutsches Museum blandt andre, har udviklet en metode til at fremstille todimensionelle polymerer med tykkelsen af ​​et enkelt molekyle. Polymererne dannes på en overflade ved lysets påvirkning. Opdagelsen baner vejen for nye ultratynde og funktionelle materialer, og er udgivet i Naturkemi .

Jagten på nye todimensionelle materialer er hurtigt intensiveret efter opdagelsen af ​​grafen - et supermateriale, hvis fremragende egenskaber omfatter høj ledningsevne og styrke, gør den utrolig alsidig. To hovedtilgange bruges til at skabe ultratynde materialer. Først og fremmest, et kontinuerligt lag af molekyler eller atomer "pilles af" fra hovedparten af ​​materialet. Grafen er et eksempel på et sådant materiale.

Den anden tilgang, i modsætning, involverer konstruktionen af ​​materialet molekyle-for-molekyle ved at producere bindinger mellem molekylerne på forskellige måder. Problemet er, at materialerne ofte er små, skrøbelige og indeholder mange defekter. Dette begrænser de potentielle anvendelsesområder.

Et internationalt forskerhold med medlemmer fra Linköpings Universitet, det tekniske universitet i München og Deutsches Museum, blandt andre, har nu udviklet en ny metode til fremstilling af todimensionelle polymerer. Opdagelsen gør det muligt at udvikle nye ultratynde funktionelle materialer med højt definerede og regulære krystallinske strukturer.

Fremstillingen, eller polymerisation, af materialet foregår i to trin. Forskerne bruger et molekyle kendt som "fantrip" - en sammentrækning af "fluoreret anthracen triptycen." Dette molekyle er en sammensmeltning af to forskellige kulbrinter - anthracen og triptycen. De specifikke egenskaber ved fantrip får molekylerne til spontant at arrangere sig selv i et mønster, der er egnet til fotopolymerisering, når de placeres på en grafitoverflade dækket med en alkan. Denne proces er kendt som "selvorganisering".

Det næste trin er selve fotopolymeriseringen, når mønsteret skal fikseres ved hjælp af lys. Molekylerne belyses af en violet laser, der exciterer elektronerne i den yderste elektronskal. Dette medfører, at der dannes stærke og holdbare kovalente bindinger mellem molekylerne. Resultatet er en porøs todimensionel polymer, en halv nanometer tyk, bestående af flere hundrede tusinde molekyler, der er identisk forbundet, med andre ord, et materiale med næsten perfekt orden, helt ned på atomniveau.

"At skabe kovalente bindinger mellem molekyler kræver meget energi. Den mest almindelige måde at tilføre energi på er at hæve temperaturen, men det får også molekylerne til at begynde at bevæge sig. Så det vil ikke fungere med selvorganiserede molekyler, da mønsteret ville blive sløret. Brug af lys til at skabe kovalente bindinger bevarer mønsteret og fikserer det præcist, som vi ønsker det, siger Markus Lackinger, forskningsgruppeleder ved Deutsches Museum og Technical University of München.

Da fotopolymerisationen udføres på en overflade af fast grafit, det er muligt at følge processen på molekylær skala ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi. Dette viser de nydannede bindinger i et vedvarende netværk. For at bekræfte strukturtildelingen, forskergruppen har simuleret udseendet af de molekylære netværk i mikroskopet på forskellige stadier af reaktionen.

Jonas Björk er adjunkt i Materials Design Division ved Institut for Fysik, Kemi og biologi ved Linköpings Universitet. Han har brugt højtydende computerressourcer på National Supercomputer Center i Linköping til at validere eksperimenterne og forstå de nøglefaktorer, der gør metoden vellykket.

"Vi ser, at simuleringerne stemmer godt overens med virkeligheden ned til mindste detalje, og vi kan også forstå, hvorfor vores specifikke system giver så nyttige resultater. Næste trin i forskningen bliver at se, om metoden kan bruges til at sammenkæde andre molekyler til nye todimensionelle og funktionelle materialer. Ved at forbedre metoden, vi vil også være i stand til at styre og skræddersy den type ultratynde materialer, vi ønsker at fremstille, siger Jonas Björk.

Polymerisationen foregår i et vakuum, som sikrer, at materialet ikke er forurenet. Imidlertid, den endelige todimensionelle polymerfilm er også stabil under atmosfæriske forhold, hvilket er en fordel for fremtidige applikationer. Markus Lackinger mener, at materialet vil finde mange tænkelige anvendelser.

"Den mest oplagte anvendelse er at bruge materialet som filter eller membran, men applikationer, som vi ikke har nogen idé om i øjeblikket i helt andre sammenhænge, ​​kan dukke op i horisonten, også tilfældigt. Derfor er grundforskning så spændende, " siger Markus Lackinger.