Gli scienziati dei materiali della Rice University hanno sviluppato un metodo veloce, economico e scalabile per realizzare strutture organiche covalenti (COF), una classe di polimeri cristallini la cui struttura molecolare sintonizzabile, ampia area superficiale e porosità potrebbe essere utile in applicazioni energetiche, dispositivi a semiconduttore, sensori, sistemi di filtrazione e somministrazione di farmaci.

"Ciò che rende queste strutture così speciali è che sono polimeri ma si dispongono in una struttura ordinata e ripetitiva che le rende un cristallo", ha detto Jeremy Daum, uno studente di dottorato della Rice e autore principale di uno studio pubblicato su ACS Nano. . "Queste strutture assomigliano un po' alla rete metallica:sono reticoli esagonali che si ripetono su un piano bidimensionale e poi si impilano su se stessi, ed è così che si ottiene un materiale 2D stratificato."

Alec Ajnsztajn, alunno del dottorato della Rice e altro autore principale dello studio, ha affermato che la tecnica di sintesi consente di produrre COF cristallini 2D ordinati in tempi record utilizzando la deposizione di vapore.

"Molte volte, quando si realizzano COF attraverso l'elaborazione della soluzione, non c'è allineamento sulla pellicola", ha affermato Ajnsztajn. "Questa tecnica di sintesi ci consente di controllare l'orientamento del foglio, assicurando che i pori siano allineati, che è ciò che desideri se stai creando una membrana."

La capacità di controllare la dimensione dei pori è utile nei separatori, dove i COF potrebbero fungere da membrane per la desalinizzazione e potenzialmente aiutare a sostituire processi ad alta intensità energetica come la distillazione. Nell'elettronica, i COF potrebbero essere utilizzati come separatori di batterie e transistor organici.

"I COF hanno il potenziale per essere utili in una varietà di processi catalitici:potresti, ad esempio, utilizzare i COF per scomporre l'anidride carbonica in sostanze chimiche utili come l'etilene e l'acido formico", ha affermato Daum.

Uno degli ostacoli che impediscono un utilizzo più ampio dei COF è che i metodi di produzione che implicano l'elaborazione delle soluzioni sono più lunghi e più difficili da accogliere in contesti industriali.

"Possono essere necessari dai tre ai cinque giorni di reazione per produrre le polveri per le soluzioni necessarie per generare COF", ha affermato Ajnsztajn. "Il nostro metodo è molto più veloce. Dopo mesi di ottimizzazione, siamo riusciti a produrre film di alta qualità in soli 20 minuti o meno."

Per assicurarsi che le loro pellicole mostrassero la giusta struttura molecolare, Daum e Ajnsztajn si sono recati all'Argonne National Laboratory, dove hanno analizzato i loro campioni utilizzando l'Advanced Photon Source, lavorando ininterrottamente a turni per 71 ore.

"Sapevamo che era giunto il momento di 'andare', ma eravamo così contenti dei risultati", ha detto Daum. "Abbiamo dovuto rivolgerci a un laboratorio nazionale perché questa tecnica era l'unico modo per misurare la qualità dei nostri film e assicurarci di aver adottato le misure giuste per ottimizzarli."

Gli studi al microscopio hanno fornito informazioni su come crescono i cristalli COF e hanno contribuito a dimostrare che temperature fino a 340°C (~644°F) potrebbero essere utilizzate per sintetizzare molecole organiche.

"Mentre lavoravamo a questo progetto, abbiamo sentito molte persone che pensavano che riscaldare le molecole organiche a temperature così elevate avrebbe impedito il verificarsi delle reazioni giuste, ma quello che abbiamo scoperto è che la deposizione chimica da vapore è, in realtà, un modo praticabile per creare materiali organici", ha detto Ajnsztajn.

Per realizzare i COF, Daum e Ajnsztajn hanno costruito un reattore ad hoc utilizzando parti di apparecchiature di laboratorio scartate e altri materiali poco costosi e facilmente disponibili.

"L'intero processo è stato molto economico da assemblare", ha detto Daum. "Si spera che la creazione di un processo robusto e scalabile per la produzione di una varietà di film COF consenta una migliore applicazione dei COF nella catalisi, nello stoccaggio di energia, nelle membrane e altro ancora."

Ulteriori informazioni: Jeremy P. Daum et al, Le soluzioni sono il problema:film di struttura organica covalente bidimensionale ordinati mediante deposizione chimica in fase vapore, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142

Informazioni sul giornale: ACS Nano

Fornito dalla Rice University