Wanneer scheikundigen of ingenieurs een nieuw soort materiaal willen maken, ze gaan naar het laboratorium en beginnen te "koken". Net zoals proberen een voedselrecept te verbeteren, het proces omvat het uitproberen van nieuwe chemische ingrediënten of het aanpassen van kooktijden en temperaturen. Maar wat als in plaats van te vertrouwen op een tijdrovend proces zonder garanties op succes, wetenschappers eenvoudig verschillende chemische "stukjes" aan elkaar konden "klikken" om iets nieuws te maken?

In een studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, Universiteit van Nebraska-Lincoln (UNL), Colorado School of Mines, en Harbin Instituut voor Technologie, in China, beschrijft een nieuwe benadering voor het synthetiseren van organische "Legos" die gemakkelijk kunnen worden verbonden om nieuwe materialen te maken. Dit raamwerk creëert structuren die lichtgewicht zijn, poreus, en snel te synthetiseren en gemakkelijk te wijzigen om nieuwe materialen met unieke eigenschappen te creëren.

De studie richt zich op een relatief nieuwe structuur die bekend staat als covalente organische raamwerken, of COF's. COF's zijn 2D en 3D organische vaste stoffen die bij elkaar worden gehouden met sterke, covalente bindingen. COF's hebben kristallijne structuren gemaakt van lichte elementen zoals koolstof, stikstof, en zuurstof, waardoor ze lichtgewicht en duurzaam zijn. Net als individuele Lego-stukken, individuele chemische bouwstenen kunnen op gedefinieerde manieren worden geassembleerd om een ​​grotere structuur te vormen die tot in detail kan worden gepland in plaats van componenten in een mengsel te plaatsen en te zien wat eruit komt.

De specifieke bouwstenen die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan ​​bekend als porfyrines, een familie van organische structuren gevonden in eiwitten zoals hemoglobine en chlorofyl. Deze structuren bevatten een metaalatoom in het midden, en onderzoekers willen dit reactieve atoom gebruiken om COF-materialen met verbeterde eigenschappen te maken. Maar ondanks het grote aantal potentiële toepassingen, variërend van waterstofopslag tot koolstofafvang, dit soort COF's hebben praktische beperkingen. Het maken van COF's is een langzaam proces, en het kan enkele dagen duren om een ​​gram materiaal te maken. Bestaande methoden zijn ook alleen in staat om COF in poedervorm te maken, waardoor ze veel moeilijker te verwerken of over te brengen zijn op andere materialen.

Met het team van UNL dat hun expertise in elektropolymerisatie gebruikt, een methode voor het regelen van polymeersynthese op een substraat dat elektriciteit geleidt, de onderzoekers ontdekten dat ze elektriciteit konden gebruiken om dunne films van COF's te maken. Het resulterende materiaal, 2D-platen gestapeld in meerdere lagen, is lichtgewicht en hittebestendig en het duurt uren om te synthetiseren in plaats van dagen. "Deze methode is snel, eenvoudig en goedkoop, en u maakt afzetting van een dunne film op een verscheidenheid aan geleidende substraten mogelijk, " zegt Elham Tavakoli, die de studie leidde samen met collega UNL-afgestudeerde student Shayan Kaviani onder toezicht van assistent-professor Siamak Nejati. “Door deze aanpak we kunnen de gemeenschappelijke uitdagingen met de COF-synthese vermijden door middel van conventionele solvotherme methode."

Na de structuur van de gedeponeerde COF's in meer detail te hebben bestudeerd, echter, vonden de onderzoekers iets wat ze niet konden verklaren:de afstanden tussen de lagen, of hoe ver de 2D-platen van elkaar verwijderd waren, waren veel groter dan verwacht. De experimentatoren wendden zich vervolgens tot theoretische scheikundigen van Penn om te bepalen wat er aan de hand was.

Na te hebben geprobeerd een theoretisch model te maken dat de structuur van de COF nauwkeurig zou beschrijven, Penn-postdoc Arvin Kakekhani realiseerde zich dat er iets moest ontbreken in hun model. Kakekhani bestudeerde de lijst van alle chemicaliën die werden gebruikt in het syntheseproces van de COF om te zien of een van de additieven hun onverwachte resultaten zou kunnen verklaren. De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat een 'toeschouwer'-molecuul, een waarvan ze dachten dat het alleen de elektrochemische omgeving bood die nodig was om de reactie te laten plaatsvinden, was een essentieel onderdeel van de structuur van de COF.

Het idee dat een molecuul als pyridine, een klein organisch molecuul met een eenvoudige ringstructuur, kan helpen bij het vormen van kristallen is geen nieuw concept in de chemie, maar vóór deze studie werd het niet belangrijk geacht voor de COF-structuur. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers begrijpen beter hoe deze toeschouwer perfect past binnen de 2D-lagen en de ondersteuning biedt die nodig is voor de COF's om een ​​kristalstructuur te vormen. "Deze kleinere pyridinemoleculen gaan eigenlijk het materiaal in en worden een deel van het kristal, ' zegt Kakekhani.

Deze nieuwe aanpak is nu een startpunt voor het maken van talloze soorten materialen. Door de reactieomstandigheden en de soorten COF-bouwstenen die worden gebruikt te veranderen en door de pyridine te vervangen door een ander klein molecuul, de mogelijkheden voor het creëren van nieuwe materialen met unieke eigenschappen zijn eindeloos. "COF's zijn niet zo oud, dus ze hebben veel onontdekte punten, "zegt Tavakoli. "Ik kijk ernaar uit om meer van deze mythen op dit gebied te vinden."

Op korte termijn, de onderzoekers hopen de katalytische eigenschappen van gesynthetiseerde COF's af te stemmen en plaats-geïsoleerde katalysatoren te ontwikkelen, stoffen die de snelheid van een chemische reactie verhogen en die essentiële componenten zijn van industriële processen. "Onze huidige COF heeft chemische reactiviteit, maar dat kan enorm worden verhoogd door kleine aanpassingen, " zegt Andrew M. Rappe, Blanchard hoogleraar scheikunde aan Penn's School of Arts and Sciences. "Ons team kan één platform nemen en veel materialen maken met verschillende functionaliteiten, allemaal gebaseerd op het werk dat hier wordt gerapporteerd."

"We voorzien dat het ontwikkelde platform ons in staat zal stellen om veel functionele interfaces te ontwerpen en te realiseren die nog niet zijn onderzocht. Een breed scala aan toepassingen, zoals scheiding met hoge selectiviteit en efficiënte katalyse, voor deze systemen kan worden overwogen, ' zegt Nejati.

Kakekhani benadrukt dat het werk ook laat zien hoe belangrijk het is dat theoretici en experimentatoren nauw samenwerken. "Het ging niet alleen om iets dat overeenkomt met hun gegevens, " hij zegt, "maar over het genereren van enig inzicht dat deze materialen beter kan maken. It takes two to tango, en als we een manier vinden om elkaars inzicht te gebruiken, er is ruimte om nieuwe dingen te ontdekken."