Strutture molecolari cave note come COF (strutture organiche covalenti), che potrebbero fungere da filtri o contenitori selettivi per altre sostanze e avere molti altri potenziali usi, tendono anche a soffrire di un problema intrinseco:è difficile mantenere una rete di COF connessa in ambienti chimici difficili.

La chimica convenzionale per il collegamento di elementi costitutivi in ​​fogli COF 2-D o strutture COF 3-D è reversibile. Questa reversibilità rende le connessioni all'interno dei COF deboli e instabili in alcuni ambienti chimici, limitando le applicazioni pratiche di questi materiali COF.

Ora, un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha utilizzato un processo chimico scoperto decenni fa per rendere i collegamenti tra i COF molto più robusti, e per dare ai COF nuove caratteristiche che potrebbero ampliare le loro applicazioni.

"È come un approccio di 'tessitura' e saldatura, " disse Yi Liu, uno scienziato del personale presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. Liu ha guidato un team che ha scoperto come rafforzare gli anelli più deboli che legano i COF.

Questo semplice approccio chimico mira a una reazione chimica nell'area di questi anelli deboli, formando legami resilienti che hanno dimostrato di resistere, come una forte saldatura, ad ambienti chimici difficili durante gli esperimenti.

I risultati del team sono dettagliati in uno studio, riportato martedì sul giornale Comunicazioni sulla natura , che dettaglia come funziona la tecnica.

"Qui mostriamo che questi legami sono eccezionalmente stabili a una varietà di sostanze chimiche. Abbiamo provato condizioni difficili e mantiene ancora questi legami, " Liu ha detto. "Questo batte tutto riportato in letteratura."

La trasformazione chimica, ha notato, rende più utili i legami tra i COF modificando le loro proprietà elettroniche e ottiche (basate sulla luce), Per esempio. "Possono trasferire gli elettroni più facilmente dopo la reazione, " Egli ha detto, in modo che gli strati 2-D di questi COF fortemente legati si comportino più come il grafene, un altro materiale bidimensionale esotico che presenta proprietà elettroniche e ottiche speciali.

Xinle Li, un borsista post-dottorato presso la Molecular Foundry e autore principale dello studio, disse, "Abbiamo dato quel processo di reazione, segnalato per la prima volta negli anni '60, una nuova vita. L'abbiamo applicato ai COF per la prima volta".

I COF sono stati molto studiati perché sono altamente sintonizzabili e possono essere composti interamente da elementi leggeri come il carbonio, idrogeno, azoto, e ossigeno, a differenza delle strutture note come MOF (strutture metallo-organiche) che contengono elementi più pesanti. Gli scienziati possono creare COF con diverse dimensioni dei pori che possono influire sulla loro funzione, modificando ciò che può attraversarli o ciò che può essere contenuto all'interno di questi pori.

Ciò potrebbe rendere i materiali a base di COF utili nei sistemi che filtrano le sostanze chimiche indesiderate dall'acqua, Per esempio, ridurre l'anidride carbonica in altre forme chimiche a valore aggiunto, o servire come facilitatori altamente efficienti per altri tipi di processi chimici.

Un aspetto importante dello studio è stato l'uso di tecniche di imaging avanzate, come la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) presso la Molecular Foundry per vedere la struttura dei COF legati, Liu e Li hanno detto.

I ricercatori hanno detto che le immagini ottenute, che mostrano chiaramente il reticolo a nido d'ape dei COF 2-D, sono tra le migliori immagini finora di COF, confermando i cambiamenti chimici nei COF fino a una frazione di nanometro (un nanometro è 1 miliardesimo di metro).

"Prima e dopo la reazione, la dimensione dei pori cambia di circa 0,3 nanometri, ha detto Liu. "Puoi vedere queste differenze prima e dopo la reazione".

Per eseguire la reazione di modificazione chimica, i ricercatori hanno messo i COF in una soluzione liquida che è stata riscaldata a circa 230 gradi Fahrenheit, e poi mescolato.

I ricercatori hanno affermato che dovrebbe essere possibile aumentare la quantità di materiali a base di COF, e il team ha già sperimentato l'utilizzo di fogli COF con altri strati di materiale per personalizzare la funzione del materiale combinato.

Il team prevede di testare come automatizzare al meglio la produzione di questi materiali COF, e cercherà anche modi per rendere più efficiente il processo di reazione. Il team esplorerà le teorie per aiutare a comprendere e migliorare la chimica che altera il COF.

"Vogliamo rendere questo processo di modificazione chimica ancora più veloce e migliore, Li ha detto. "Speriamo di poter rendere più miti le condizioni di reazione, e aumentare ulteriormente la stabilità chimica e la funzionalità dei COF."

Il lavoro del team è uno dei primi sforzi pubblicati di un nuovo programma presso la Molecular Foundry che mira a far progredire la "nanoscienza combinatoria" focalizzata sull'utilizzo di processi ad alto rendimento, in combinazione con la teoria e la tecnologia di imaging, per creare e studiare nanostrutture che sono componenti in nuovi materiali con proprietà migliorate.