Ved vandkanten:Selvsamlende 2D-materialer ved en væske-væske grænseflade

De sidste par årtier har været vidne til en stor mængde forskning inden for todimensionelle (2D) materialer. Som navnet antyder, er disse tynde filmlignende materialer sammensat af lag, der kun er nogle få atomer tykke. Mange af de kemiske og fysiske egenskaber ved 2D-materialer kan finjusteres, hvilket fører til lovende anvendelser på mange områder, herunder optoelektronik, katalyse, vedvarende energi og mere.

Koordinationsnanoark er en særlig interessant type 2D-materiale. "Koordinationen" refererer til virkningen af ​​metalliske ioner i disse molekyler, som fungerer som koordinationscentre. Disse centre kan spontant skabe organiserede molekylære dispositioner, der spænder over flere lag i 2D-materialer. Dette har tiltrukket materialeforskeres opmærksomhed på grund af deres gunstige egenskaber. Faktisk er vi kun begyndt at ridse overfladen med hensyn til, hvad heterolagskoordinationsnanoark – koordinationsnanoark, hvis lag har forskellig atomsammensætning – kan tilbyde.

I en nylig undersøgelse offentliggjort den 13. juni 2022 og vist på forsiden af ​​Chemistry—A European Journal , rapporterede et team af videnskabsmænd fra Tokyo University of Science (TUS) og University of Tokyo i Japan en bemærkelsesværdig enkel måde at syntetisere heterolagskoordinationsnanoark. Sammensat af den organiske ligand, terpyridin, koordinerende jern og kobolt, samler disse nanoplader sig selv ved grænsefladen mellem to ublandbare væsker på en ejendommelig måde. Undersøgelsen, ledet af prof. Hiroshi Nishihara fra TUS, omfattede også bidrag fra hr. Joe Komeda, dr. Kenji Takada, dr. Hiroaki Maeda og dr. Naoya Fukui fra TUS.

For at syntetisere de heterolagskoordinerende nanoark skabte holdet først væske-væske-grænsefladen for at muliggøre deres samling. De opløste tris(terpyridin) ligand i dichlormethan (CH₂ Cl₂ ), en organisk væske, der ikke blandes med vand. De hældte derefter en opløsning af vand og jernholdigt tetrafluorborat, et jernholdigt kemikalie, oven på CH₂ Cl₂ . Efter 24 timer blev det første lag af koordinationsnanoarket, bis(terpyridin)jern (eller "Fe-tpy"), dannet ved grænsefladen mellem begge væsker.

Herefter fjernede de det jernholdige vand og erstattede det med koboltholdigt vand. I de næste par dage dannedes et bis(terpyridin)cobalt (eller "Co-tpy") lag lige under det jernholdige lag ved væske-væske-grænsefladen.

Holdet lavede detaljerede observationer af heterolaget ved hjælp af forskellige avancerede teknikker, såsom scanningselektronmikroskopi, røntgenfotoelektronspektroskopi, atomkraftmikroskopi og scanningstransmissionselektronmikroskopi. De fandt ud af, at Co-tpy-laget dannedes pænt under Fe-tpy-laget ved væske-væske-grænsefladen. Desuden kunne de kontrollere tykkelsen af ​​det andet lag afhængigt af, hvor længe de lod synteseprocessen køre sit forløb.

Interessant nok fandt holdet også ud af, at rækkefølgen af ​​lagene kunne byttes ved blot at ændre rækkefølgen af ​​syntesetrinnene. Med andre ord, hvis de først tilføjede en koboltholdig opløsning og derefter erstattede den med en jernholdig opløsning, ville det syntetiserede heterolag have koboltkoordinationscentre på det øverste lag og jernkoordinationscentre på det nederste lag. "Vores resultater indikerer, at metalioner kan gå gennem det første lag fra den vandige fase til CH₂ Cl₂ fase til at reagere med terpyridin-ligander lige ved grænsen mellem nanoarket og CH₂ Cl₂ fase," forklarer prof. Nishihara. "Dette er den første afklaring nogensinde af vækstretningen for koordinationsnanoark ved en væske/væske grænseflade."

Derudover undersøgte holdet reduktion-oxidationsegenskaberne af deres koordinationsnanoark såvel som deres elektriske ensretningsegenskaber. De fandt ud af, at heterolagene opførte sig meget som en diode på en måde, der er i overensstemmelse med de elektroniske energiniveauer for Co-tpy og Fe-tpy. Disse indsigter, kombineret med den nemme synteseprocedure udviklet af teamet, kunne hjælpe med designet af heterolags nanoark lavet af andre materialer og skræddersyet til specifikke elektronikapplikationer. "Vores syntetiske metode kunne være anvendelig til andre koordinationspolymerer syntetiseret ved væske-væske grænseflader," fremhæver Prof. Nishihara. "Derfor vil resultaterne af denne undersøgelse udvide den strukturelle og funktionelle mangfoldighed af molekylære 2D-materialer."

Med øjnene rettet mod fremtiden vil holdet fortsætte med at undersøge kemiske fænomener, der forekommer ved væske-væske grænseflader, og belyse mekanismerne for massetransport og kemiske reaktioner. Deres resultater kan hjælpe med at udvide designet af 2D-materialer og forhåbentlig føre til bedre ydeevne af optoelektroniske enheder, såsom solceller. + Udforsk yderligere

Metal mix og match:En uventet opdagelse kunne forbedre krystalliniteten af ​​koordinationsnanoark