Quando i chimici o gli ingegneri vogliono creare un nuovo tipo di materiale, si dirigono al laboratorio e iniziano a "cucinare". Proprio come cercare di migliorare una ricetta alimentare, il processo prevede la sperimentazione di nuovi ingredienti chimici o la regolazione dei tempi e delle temperature di cottura. Ma cosa succede se invece di affidarsi a un processo che richiede tempo senza garanzie di successo, gli scienziati potrebbero semplicemente "incastrare" diversi "pezzi" chimici insieme per creare qualcosa di nuovo?

In uno studio pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania, Università del Nebraska-Lincoln (UNL), Scuola di miniere del Colorado, e Harbin Institute of Technology, in Cina, descrive un nuovo approccio per la sintesi di "Lego" organici che possono essere facilmente collegati per creare nuovi materiali. Questa struttura crea strutture leggere, poroso, e veloce da sintetizzare e facilmente modificabile per creare nuovi materiali con proprietà uniche.

Lo studio si concentra su una struttura relativamente nuova nota come quadri organici covalenti, o COF. I COF sono solidi organici 2-D e 3-D tenuti insieme da forti, legami covalenti. I COF hanno strutture cristalline fatte di elementi leggeri come il carbonio, azoto, e ossigeno, rendendoli leggeri e resistenti. Come singoli pezzi Lego, i singoli mattoni chimici possono essere assemblati in modi definiti per formare una struttura più ampia che può essere pianificata nei minimi dettagli invece di mettere i componenti in una miscela e vedere cosa ne viene fuori.

Gli elementi costitutivi specifici utilizzati in questo studio sono noti come porfirine, una famiglia di strutture organiche presenti in proteine ​​come l'emoglobina e la clorofilla. Queste strutture includono un atomo di metallo al loro centro, e i ricercatori vorrebbero utilizzare questo atomo reattivo per creare materiali COF con proprietà migliorate. Ma nonostante l'ampio numero di potenziali applicazioni, che vanno dallo stoccaggio dell'idrogeno alla cattura del carbonio, questi tipi di COF hanno limitazioni pratiche. Fare COF è un processo lento, e possono volerci diversi giorni solo per creare un grammo di materiale. I metodi esistenti sono anche in grado di produrre COF solo in polvere, rendendoli molto più difficili da lavorare o da trasferire su altri materiali.

Con il team di UNL che utilizza la propria esperienza nell'elettropolimerizzazione, un metodo per controllare la sintesi del polimero su un substrato che conduce elettricità, i ricercatori hanno scoperto che potevano usare l'elettricità per creare film sottili di COF. Il materiale risultante, Fogli 2-D impilati in più strati, è leggero e tollerante al calore e impiega ore per sintetizzare invece di giorni. "Questo metodo è veloce, semplice ed economico, e consenti la deposizione di un film sottile su una varietà di substrati conduttivi, "dice Elham Tavakoli, che ha condotto lo studio insieme al collega studente laureato della UNL Shayan Kaviani sotto la supervisione dell'assistente professore Siamak Nejati. "Attraverso questo approccio, possiamo evitare le sfide comuni con la sintesi COF attraverso il metodo solvotermico convenzionale."

Dopo aver studiato più in dettaglio la struttura dei COF depositati, però, i ricercatori hanno scoperto qualcosa che non riuscivano a spiegare:le distanze tra gli strati, o quanto erano lontani i fogli 2-D l'uno dall'altro, erano molto più grandi del previsto. Gli sperimentali si sono quindi rivolti ai chimici teorici della Penn per determinare cosa stesse succedendo.

Dopo aver provato a creare un modello teorico che descrivesse accuratamente la struttura del COF, Il postdoc di Penn Arvin Kakekhani si è reso conto che doveva mancare qualcosa al loro modello. Kakekhani ha studiato l'elenco di tutte le sostanze chimiche utilizzate nel processo di sintesi del COF per vedere se qualcuno degli additivi potesse spiegare i loro risultati inaspettati. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che una molecola "spettatore", uno che pensavano fornisse solo l'ambiente elettrochimico necessario affinché la reazione si verificasse, era una componente essenziale della struttura del COF.

L'idea che una molecola come la piridina, una piccola molecola organica con una semplice struttura ad anello, può aiutare la formazione dei cristalli non è un concetto nuovo in chimica, ma non si pensava che fosse importante per la struttura del COF prima di questo studio. Ora, i ricercatori hanno una migliore comprensione di come questo spettatore si adatti perfettamente agli strati 2D e fornisca il supporto necessario affinché i COF formino una struttura cristallina. "Queste molecole di piridina più piccole entrano effettivamente nel materiale e diventano parte del cristallo, "dice Kakekhani.

Questo nuovo approccio è ora un punto di partenza per la creazione di numerosi tipi di materiali. Modificando le condizioni di reazione e i tipi di elementi costitutivi COF utilizzati e sostituendo la piridina con un'altra piccola molecola, le opportunità per creare nuovi materiali con proprietà uniche sono infinite. "I COF non sono così vecchi, quindi hanno molti punti da scoprire, "dice Tavakoli. "Non vedo l'ora di trovare altri di questi miti in questo campo".

A breve termine, i ricercatori sperano di mettere a punto le proprietà catalitiche dei COF sintetizzati e di sviluppare catalizzatori isolati dal sito, sostanze che aumentano la velocità di una reazione chimica che sono componenti essenziali dei processi industriali. "Il nostro attuale COF ha reattività chimica, ma che può essere notevolmente accresciuto attraverso piccole modifiche, " dice Andrew M. Rappe, Blanchard Professore di Chimica alla Penn's School of Arts and Sciences. "Il nostro team può utilizzare un'unica piattaforma e realizzare molti materiali con funzionalità diverse, tutto basato sul lavoro qui riportato."

"Prevediamo che la piattaforma sviluppata ci consentirà di progettare e realizzare molte interfacce funzionali non ancora esplorate. Una vasta gamma di applicazioni, quali separazione ad alta selettività e catalisi efficiente, può essere previsto per questi sistemi, "dice Nejati.

Kakekhani sottolinea che il lavoro mette in mostra anche l'importanza di far lavorare teorici e sperimentali in stretta collaborazione. "Non si trattava solo di avere qualcosa che corrispondesse ai loro dati, " lui dice, "ma sulla generazione di alcune intuizioni che possono migliorare questi materiali. Ci vogliono due per il tango, e se troviamo un modo per usare l'intuizione dell'altro, c'è spazio per scoprire cose nuove."