Gli scienziati del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) della TU Dresden sono riusciti a sintetizzare per la prima volta polimeri 2-D simili a fogli mediante un processo dal basso verso l'alto. A questo scopo è stata sviluppata una nuova via di reazione sintetica. I polimeri 2-D sono costituiti solo da pochi singoli strati atomici e, per le loro proprietà molto speciali, sono un materiale promettente per l'uso in componenti e sistemi elettronici di nuova generazione. Il risultato della ricerca è un lavoro collaborativo di diversi gruppi della TU Dresden e dell'Università di Ulm ed è stato pubblicato questa settimana in due articoli correlati su riviste scientifiche Chimica della natura e Comunicazioni sulla natura .

Da quando Hermann Staudinger scoprì i polimeri lineari nel 1920, è stato un sogno degli scienziati sintetici estendere la polimerizzazione nella seconda dimensione. Un polimero bidimensionale (2-D) è una macromolecola monomolecolare a forma di foglio costituita da unità ripetute collegate lateralmente con gruppi terminali lungo tutti i bordi. Data l'enorme diversità chimica e strutturale degli elementi costitutivi (cioè, monomeri), I polimeri 2-D sono molto promettenti nella progettazione razionale del materiale su misura per le applicazioni di prossima generazione, come la separazione della membrana, elettronica, dispositivi ottici, stoccaggio e conversione dell'energia, ecc. Tuttavia, nonostante gli enormi sviluppi della chimica di sintesi nell'ultimo secolo, la sintesi dal basso verso l'alto di polimeri 2-D con strutture definite rimane un compito formidabile.

Dal 2014, un gruppo di scienziati della Technische Universität Dresden e dell'Universität Ulm hanno unito le forze per perseguire questo obiettivo intrigante ma impegnativo. Il team di ricerca guidato dal Prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) ha sviluppato in modo innovativo un nuovo percorso sintetico:utilizzando il monostrato di tensioattivo come modello morbido per guidare l'organizzazione supramolecolare dei monomeri e la successiva polimerizzazione 2-D in un'interfaccia aria-acqua. Questa metodologia sintetica è ora denominata sintesi interfacciale tensioattivo-monostrato-assistente (SMAIS). Utilizzando il metodo SMAIS, Il Dr. Tao Zhang ha sintetizzato film di polianilina cristallina quasi-2-D con dimensioni laterali ~50 cm ² e spessore sintonizzabile (2,6-30 nm).

Le proprietà di trasporto di carica superiori e la chemiresistività verso l'ammoniaca e i composti organici volatili rendono i film di polianilina quasi-2-D come materiali elettroattivi promettenti per l'elettronica organica a film sottile. Per esplorare ulteriormente il potenziale di SMAIS, Signor Kejun Liu, Dottor Tao Zhang, Il Dr. Zhikun Zheng e il Dr. Renhao Dong hanno ottenuto per la prima volta la sintesi controllata di poliimmide e poliammide 2-D a pochi strati altamente cristallini. I polimeri 2-D hanno uno spessore di pochi nanometri e possono essere facilmente trasferiti su substrati arbitrari, aprendo un'entusiasmante opportunità per l'integrazione di polimeri 2-D in dispositivi e sistemi di prossima generazione.

Insieme agli sviluppi cruciali sul fronte della sintesi, il gruppo di microscopia elettronica a trasmissione guidato dal Prof. Dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) ha fornito un altro pilastro indispensabile della ricerca congiunta. Dallo sviluppo della correzione dell'aberrazione, l'imaging TEM ad alta risoluzione è stata una tecnica potente nella caratterizzazione strutturale fino alla scala atomica. Ancora, i materiali organici contenenti idrogeno sono estremamente inclini alla disintegrazione strutturale sotto il fascio di elettroni, rendere l'imaging HRTEM di polimeri 2-D una missione molto impegnativa. Utilizzando l'HRTEM con correzione dell'aberrazione sferica, Il Dr. Haoyuan Qi ha svelato con successo la micro-morfologia, strutture molecolari, strutture di confine e bordo del grano, dei polimeri sintetici 2-D:un traguardo raramente riportato in letteratura.

Le strutture molecolari e la cristallinità complessiva sono state ulteriormente chiarite tramite lo scattering di raggi X a incidenza radente di sincrotrone (cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dott. Stefan Mannsfeld, TU Dresda). Il gruppo del Prof. Dr. Thomas Heine (TU di Dresda) ha fornito calcoli di densità funzionale a legame stretto che offre approfondimenti significativi sulle strutture atomistiche dei polimeri sintetici 2-D.