Исследователи из Университета Райса создают тонкие пленки ковалентных органических каркасов посредством осаждения из паровой фазы. Ученые-материаловеды создали эффективную, экономически выгодную и масштабируемую технологию производства ковалентных органических каркасов (КОФ). Отличительными особенностями этих кристаллических полимеров являются их настраиваемая молекулярная структура, большая площадь поверхности и пористая природа, что делает их потенциально ценными в таких областях, как энергетика, полупроводниковые устройства, датчики, системы фильтрации и доставка лекарств.
«Что делает эти структуры такими особенными, так это то, что, хотя они и являются полимерами, они организованы в упорядоченно повторяющиеся структуры, что делает их своего рода кристаллами», — сказал Джереми Даум, аспирант Райса и ведущий автор исследования, опубликованного в ACS Nano. «Эти структуры немного похожи на проволочную сетку — это шестиугольные решетки, которые повторяются в двухмерной плоскости, а затем складываются друг на друга, и именно так вы получаете слоистые двумерные материалы».
Алек Айнсцтайн, доктор философии по рису. Выпускник и еще один ведущий автор исследования сказал, что этот метод синтеза позволяет производить упорядоченные двумерные кристаллические COF в рекордно короткие сроки с использованием методов осаждения из паровой фазы.
«Во многих случаях, когда вы создаете COF с помощью обработки раствора, на пленке нет никакой согласованности», — сказал Айнсцтайн. «Этот метод синтеза позволяет нам контролировать ориентацию пленки и гарантировать, что поры выровнены, а это именно то, что необходимо для изготовления пленки».
Возможность контролировать размер пор была бы полезна в сепараторах, COF могли бы использоваться в качестве мембран для опреснения и потенциально могли бы помочь заменить энергоемкие процессы, такие как дистилляция. В области электроники COF используются в качестве сепараторов аккумуляторов и органических транзисторов.
«COF могут играть роль в различных каталитических процессах — например, вы можете использовать COF для расщепления углекислого газа на полезные химические вещества, такие как этилен и муравьиная кислота», — сказал Даум.
Проблемы и инновации в производстве COF
Одним из препятствий, препятствующих более широкому внедрению COF, является то, что методы производства, включающие обработку раствором, требуют много времени и их труднее адаптировать в промышленных условиях.
«Для производства раствора порошка, необходимого для COF, может потребоваться время реакции от трех до пяти дней», — сказал Айнсцтайн. «Наш метод намного быстрее. После нескольких месяцев оптимизации мы можем производить высококачественные фильмы за 20 минут или меньше».
Анализ и проверка пленок COF
Чтобы убедиться, что их пленки имеют правильную молекулярную структуру, Даум и Айнсцтайн работали по 71 час в смену в Аргоннской национальной лаборатории, где образцы анализировались с использованием усовершенствованного источника фотонов.
«Мы знали, что пришло время уйти, но были очень довольны результатами», — сказал Даум. «Нам пришлось пойти в национальную лабораторию, потому что этот метод был единственным способом измерить качество пленки и убедиться, что мы предпринимаем правильные шаги для ее оптимизации».
Исследования с помощью микроскопа пролили свет на процесс роста кристаллов COF и помогли продемонстрировать, что для синтеза органических молекул можно использовать температуры до 340 градусов по Цельсию (около 644 градусов по Фаренгейту).
«Работая над этим проектом, мы слышали от многих людей, что нагревание органических молекул до таких высоких температур может помешать протеканию правильных реакций, но мы обнаружили, что химическое осаждение из паровой фазы на самом деле является жизнеспособным методом создания органических материалов», — сказал Айнсцтайн.
Недорогой метод производства COF своими руками
Чтобы сделать COF, Даум и Айнсцтайн построили импровизированный реактор из частей выброшенного лабораторного оборудования и других дешевых и легкодоступных материалов.
«Затраты на сборку всего процесса очень низкие», — сказал Даум. «Ожидается, что создание надежного и масштабируемого процесса производства различных COF-пленок позволит лучше применять COF в катализе, хранении энергии, мембранах и других областях».
Источник составления: ScitechDaily.