I polimeri sintetici sono onnipresenti:nylon, poliestere, Teflon e resina epossidica, per citarne solo alcuni, e questi polimeri sono tutti lunghi, strutture lineari che si aggrovigliano in strutture imprecise. I chimici hanno a lungo sognato di produrre polimeri bidimensionali, strutture a griglia, ma questo obiettivo si è rivelato impegnativo.

I primi esempi di tali strutture, ora noti come quadri organici covalenti (COF), sono stati scoperti nel 2005, ma la loro qualità è stata scarsa e i metodi di preparazione non sono controllati. Ora un team di ricerca della Northwestern University è il primo a produrre versioni di alta qualità di questi materiali, dimostrare le loro proprietà superiori e controllarne la crescita.

I ricercatori hanno sviluppato un processo di crescita in due fasi che produce polimeri organici con cristallino, strutture bidimensionali. La precisione della struttura del materiale e lo spazio vuoto fornito dai suoi pori esagonali consentirà agli scienziati di progettare nuovi materiali con proprietà desiderabili.

Anche i COF di bassa qualità hanno mostrato promesse preliminari per la purificazione dell'acqua, immagazzinare elettricità, giubbotti antiproiettile e altri materiali compositi resistenti. Una volta sviluppato ulteriormente, campioni di qualità superiore di questi materiali consentiranno di esplorare più a fondo queste applicazioni.

"Queste strutture covalenti organiche colmano una lacuna lunga un secolo nella scienza dei polimeri, " ha detto William Dichtel, un esperto in chimica organica e dei polimeri che ha guidato lo studio. "La maggior parte delle plastiche sono lunghe, strutture lineari che si aggrovigliano come spaghetti. Abbiamo realizzato polimeri bidimensionali ordinati in cui i mattoni sono disposti in una griglia perfetta di esagoni ripetuti. Questo ci dà un controllo preciso della struttura e delle sue proprietà."

Dichtel è Robert L. Letsinger Professor of Chemistry presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern.

Lo studio, "Crescita di semi di strutture organiche covalenti bidimensionali a cristallo singolo, " sarà pubblicato il 21 giugno dalla rivista Scienza tramite Prima versione. (La carta verrà stampata in un secondo momento.)

I COF 2-D hanno pori permanenti e un'area superficiale estremamente elevata. Immaginate la superficie di un campo da calcio contenuta in circa due grammi di materiale, o due graffette, Dichtel ha detto. Ogni piccolo foro ha la stessa dimensione e forma e ha esattamente la stessa composizione.

Nel processo in due fasi, gli scienziati prima coltivano "semi" di piccole particelle a cui aggiungono lentamente più elementi costitutivi, in condizioni attentamente controllate. L'aggiunta lenta fa sì che i blocchi costitutivi si aggiungano ai semi invece di creare nuovi semi. Il risultato è più grande, particelle di alta qualità costituite da grandi, fogli esagonali invece di un mucchio di cristalli aggregati.

"Questo è principalmente un documento di sintesi, ma abbiamo anche misurato proprietà che emergono solo in questi campioni di alta qualità, " Dichtel ha detto. "Per esempio, mostriamo che l'energia può muoversi attraverso la struttura dopo aver assorbito la luce, che può essere utile nella conversione dell'energia solare."

Una volta che i COF 2-D sono stati coltivati, i colleghi chimici Nathan C. Gianneschi e Lucas R. Parent hanno studiato attentamente le particelle usando un microscopio elettronico. Hanno confermato che le particelle sono individuali e non aggregate e sono perfettamente uniformi in tutta la struttura.

Gianneschi è Jacob and Rosaline Cohn Professor nel dipartimento di chimica del Weinberg College. È anche professore nei dipartimenti di scienza e ingegneria dei materiali e di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering. Parent è un borsista postdottorato nel gruppo di Gianneschi. Entrambi sono coautori del documento.

Prossimo, Lin X. Chen e Richard D. Schaller hanno misurato come uno dei materiali interagisce con la luce. I loro studi mostrano che l'energia può muoversi attraverso questi materiali per distanze molto più lunghe rispetto alle dimensioni disponibili con i vecchi metodi.

Chen è un professore di chimica, e Schaller è un assistente professore di chimica, entrambi a Weinberg. Entrambi sono coautori del documento.

"Questo studio è stato molto gratificante:coltivare con successo questi materiali e iniziare a vedere la loro promessa, "Deltel, che studia COF da un decennio. "Riteniamo che questo sviluppo consentirà al campo della scienza dei polimeri".