Synthetische polymeren zijn alomtegenwoordig - nylon, polyester, Teflon en epoxy, om er maar een paar te noemen - en deze polymeren zijn allemaal lang, lineaire structuren die verstrikt raken in onnauwkeurige structuren. Chemici hebben er lang van gedroomd om polymeren te maken met tweedimensionale, rasterachtige structuren, maar dit doel is uitdagend gebleken.

De eerste voorbeelden van dergelijke constructies, nu bekend als covalente organische raamwerken (COF's), werden in 2005 ontdekt, maar hun kwaliteit is slecht en de bereidingsmethoden zijn ongecontroleerd. Nu is een onderzoeksteam van de Northwestern University de eerste die hoogwaardige versies van deze materialen produceert, demonstreren hun superieure eigenschappen en beheersen hun groei.

De onderzoekers ontwikkelden een groeiproces in twee stappen dat organische polymeren produceert met kristallijne, tweedimensionale structuren. De precisie van de structuur van het materiaal en de lege ruimte die de zeshoekige poriën bieden, zullen wetenschappers in staat stellen nieuwe materialen met gewenste eigenschappen te ontwerpen.

Zelfs COF's van lage kwaliteit hebben een voorlopige belofte getoond voor waterzuivering, elektriciteit opslaan, kogelvrije vesten en andere taaie composietmaterialen. Eenmaal verder ontwikkeld, monsters van hogere kwaliteit van deze materialen zullen het mogelijk maken om deze toepassingen vollediger te onderzoeken.

"Deze covalent-organische raamwerken vullen een eeuwenlange leemte in de polymeerwetenschap, " zei William Dichtel, een expert in organische en polymeerchemie die het onderzoek leidde. "De meeste kunststoffen zijn lang, lineaire structuren die als spaghetti in de knoop raken. We hebben geordende tweedimensionale polymeren gemaakt waarbij de bouwstenen zijn gerangschikt in een perfect raster van zich herhalende zeshoeken. Dit geeft ons nauwkeurige controle over de structuur en zijn eigenschappen."

Dichtel is de Robert L. Letsinger hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences van Northwestern.

De studie, "Gezaaide groei van monokristallijne tweedimensionale covalente organische raamwerken, " wordt op 21 juni gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap via eerste uitgave. (Het papier zal op een later tijdstip in druk verschijnen.)

De 2-D COF's hebben permanente poriën en een extreem hoog oppervlak. Stel je de oppervlakte van een voetbalveld voor dat zich in ongeveer twee gram materiaal bevindt, of twee paperclips, zei Dichtel. Elk gaatje is even groot en vorm en heeft precies dezelfde samenstelling.

In het tweestapsproces wordt de wetenschappers kweken eerst kleine deeltjes "zaden" waaraan ze langzaam meer van de bouwstenen toevoegen, onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden. De langzame toevoeging zorgt ervoor dat de bouwstenen aan de zaden worden toegevoegd in plaats van nieuwe zaden te creëren. Het resultaat is groter, hoogwaardige deeltjes bestaande uit grote, zeshoekige platen in plaats van een stel geaggregeerde kristallen.

"Dit is in de eerste plaats een synthesedocument, maar we hebben ook eigenschappen gemeten die alleen in deze hoogwaardige monsters naar voren komen, "Zei Dichtel. "Bijvoorbeeld, we laten zien dat energie door de structuur kan bewegen nadat het licht heeft geabsorbeerd, die nuttig kunnen zijn bij de omzetting van zonne-energie."

Zodra de 2-D COF's waren gegroeid, collega-chemici Nathan C. Gianneschi en Lucas R. Parent bestudeerden de deeltjes zorgvuldig met behulp van een elektronenmicroscoop. Ze bevestigden dat de deeltjes individueel zijn en niet geaggregeerd en perfect uniform zijn door de hele structuur.

Gianneschi is de Jacob en Rosaline Cohn-hoogleraar in de afdeling scheikunde van het Weinberg College. Hij is ook professor in de departementen materiaalwetenschap en -techniek en biomedische technologie aan de McCormick School of Engineering. Parent is een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Gianneschi. Beiden zijn co-auteurs van het artikel.

Volgende, Lin X. Chen en Richard D. Schaller hebben gemeten hoe een van de materialen interageert met licht. Hun studies tonen aan dat energie over veel grotere afstanden door deze materialen kan bewegen dan de afmetingen die met oude methoden beschikbaar waren.

Chen is een professor in de chemie, en Schaller is een assistent-professor scheikunde, beide in Weinberg. Beiden zijn co-auteurs van het artikel.

"Deze studie was zeer bevredigend - om deze materialen met succes te laten groeien en hun belofte te beginnen zien, "Dichtel, die al tien jaar COF's bestudeert. "We denken dat deze ontwikkeling het gebied van polymeerwetenschap mogelijk zal maken."