Wetenschappers van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) van de TU Dresden zijn er voor het eerst in geslaagd om plaatachtige 2D-polymeren te synthetiseren door middel van een bottom-upproces. Hiervoor is een nieuwe synthetische reactieroute ontwikkeld. De 2D-polymeren bestaan ​​uit slechts enkele enkele atomaire lagen en, vanwege hun zeer bijzondere eigenschappen, zijn een veelbelovend materiaal voor gebruik in elektronische componenten en systemen van een nieuwe generatie. Het onderzoeksresultaat is een samenwerking van verschillende groepen aan de TU Dresden en de Universiteit van Ulm en is deze week gepubliceerd in twee gerelateerde artikelen in de wetenschappelijke tijdschriften Natuurchemie en Natuurcommunicatie .

Sinds Hermann Staudinger de lineaire polymeren in 1920 ontdekte, het was een droom van synthetische wetenschappers om de polymerisatie uit te breiden naar de tweede dimensie. Een tweedimensionaal (2-D) polymeer is een bladachtig monomoleculair macromolecuul dat bestaat uit lateraal verbonden herhalende eenheden met eindgroepen langs alle randen. Gezien de enorme chemische en structurele diversiteit van de bouwstenen (d.w.z. monomeren), 2D-polymeren zijn veelbelovend in het rationele materiaalontwerp dat is afgestemd op toepassingen van de volgende generatie, zoals membraanscheiding, elektronica, optische apparaten, energieopslag en -conversie, enz. Echter, ondanks de enorme ontwikkelingen in de synthetische chemie in de afgelopen eeuw, de bottom-up synthese van 2D-polymeren met gedefinieerde structuren blijft een formidabele taak.

Sinds 2014, een groep wetenschappers van de Technische Universität Dresden en Universität Ulm bundelden hun krachten om dit intrigerende maar uitdagende doel na te streven. Het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) ontwikkelde op innovatieve wijze een nieuwe synthetische route:het gebruik van een oppervlakteactieve monolaag als een zachte sjabloon om de supramoleculaire organisatie van monomeren en de daaropvolgende 2D-polymerisatie op een lucht-waterinterface te begeleiden. Deze synthetische methodologie wordt nu aangeduid als oppervlakteactieve stof-monolaag-assistante grensvlaksynthese (SMAIS). Door de SMAIS-methode te gebruiken, Dr. Tao Zhang synthetiseerde kristallijne quasi-2-D polyanilinefilms met een laterale afmeting van ~50 cm ² en afstembare dikte (2,6-30 nm).

De superieure ladingstransporteigenschappen en chemische weerstand ten opzichte van ammoniak en vluchtige organische verbindingen maken de quasi-2-D polyanilinefilms als veelbelovende elektroactieve materialen voor dunne-film organische elektronica. Om het potentieel van SMAIS verder te verkennen, Meneer Kejun Liu, Dr. Tao Zhang, Dr. Zhikun Zheng en Dr. Renhao Dong bereikten voor het eerst een gecontroleerde synthese van hoogkristallijne 2-laags 2-D polyimide en polyamide. De 2D-polymeren hebben een dikte van slechts enkele nanometers en kunnen gemakkelijk worden overgebracht op willekeurige substraten, spannende kansen bieden voor de integratie van 2D-polymeren in apparaten en systemen van de volgende generatie.

Samen met de cruciale ontwikkelingen op het synthesefront, de transmissie-elektronenmicroscopiegroep onder leiding van prof.dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) vormde een andere onmisbare pijler van het gezamenlijke onderzoek. Sinds de ontwikkeling van aberratiecorrectie, TEM-beeldvorming met hoge resolutie is een krachtige techniek geweest bij structurele karakterisering tot op atomaire schaal. Nog, waterstofhoudende organische materialen zijn extreem gevoelig voor structurele desintegratie onder de elektronenstraal, waardoor HRTEM-beeldvorming van 2D-polymeren een veeleisende missie wordt. Door gebruik te maken van de voor sferische aberratie gecorrigeerde HRTEM, Dr. Haoyuan Qi heeft met succes de micromorfologie ontrafeld, moleculaire structuren, korrelgrens- en randstructuren, van de synthetische 2D-polymeren:een prestatie die zelden in de literatuur wordt vermeld.

De moleculaire structuren en de algehele kristalliniteit zijn verder opgehelderd via synchrotron grazing-incidence X-ray scattering (cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresden). De groep van Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) leverde dichtheidsfunctionele strakke bindingsberekeningen die significante inzichten bieden in de atomaire structuren van de synthetische 2D-polymeren.