Een eenvoudig chemisch proces ontwikkeld aan de Rice University zorgt voor lichte en sterk absorberende aerogels die tegen een stootje kunnen.

Covalente organische raamwerken (COF's), kristalstructuren met sterke moleculaire bindingen, kan een poreuze aerogel vormen voor gebruik als aangepast membraan in batterijen of andere apparaten of als absorptiemiddel om verontreinigende stoffen uit de omgeving te verwijderen.

Conventionele COF's zijn meestal poeders. Chemisch en biomoleculair ingenieur Rafael Verduzco, hoofdauteurs en Rice-afgestudeerde studenten Dongyang Zhu en Yifan Zhu en hun collega's van Rice's Brown School of Engineering hebben een manier ontdekt om COF-aerogels te synthetiseren die in elke vorm en in elke grootte kunnen worden gemaakt, alleen beperkt door de reactiekamer.

Het proces gerapporteerd in de American Chemical Society's Chemie van materialen maakt gebruik van COF-monomeren, een oplosmiddel en een katalysator. Wanneer gemengd en verwarmd tot 80 graden Celsius (176 graden Fahrenheit), ze worden een uniforme gel. Wassen en drogen van de gel om het oplosmiddel te verwijderen, laat de scaffoldachtige aerogel achter met poriën tussen 20 en 100 micron.

"Het grote voordeel van polymeren is dat je ze kunt oplossen in een oplosmiddel, je kunt de vacht spuiten, spin coat en dip coat ze, en ze zijn gemakkelijk en goedkoop om mee te werken, "Zei Verduzco. "Maar COF's zijn dat niet. Ze zijn een onoplosbaar poeder en moeilijk om iets mee te doen, maar ze zijn echt veelbelovend voor toepassingen omdat je ze op moleculair niveau bijna op elke manier kunt ontwerpen of engineeren. Het zijn net legoblokken en je kunt de moleculaire vormen kiezen, maten en kenmerken die u in het uiteindelijke materiaal wilt opnemen.

"We waren op zoek naar manieren om COF's gemakkelijker te maken om mee te werken, meer zoals polymeren, en we ontdekten dat ze onder bepaalde reactieomstandigheden een gel zouden vormen, "zei hij. "Als je het oplosmiddel extraheert, je krijgt dit zeer lichte schuim, of aerogel."

Verduzco zei dat COF-aerogels een waardevolle aanvulling kunnen zijn op industriële absorptiemiddelen die nu worden gebruikt voor sanering, omdat hun poreuze structuren kunnen worden aangepast.

Het lab formuleerde zes aerogels en vond hun sanerende eigenschappen met verschillende kleurstoffen, oliën en gouden nanodeeltjes waren veel beter en sneller dan COF-poeders. In een test met jodiumdamp, een product van kernsplijting, de aerogel absorbeerde 7,7 gram jodium per gram aerogel, aanzienlijk beter dan een COF-poeder van hetzelfde materiaal.

De onderzoekers ontdekten dat de aerogels minstens 10 keer kunnen worden gewassen en hergebruikt zonder te vervormen. "Ze zijn vrij zacht, maar je kunt ze met de hand platdrukken en ze springen terug, ' zei Verduzco.

Hij ziet een nog groter potentieel voor COF's als membranen om componenten in geavanceerde batterijen te scheiden, het onderwerp van een recent overzichtsdocument onder leiding van Dongyang Zhu in Geavanceerde functionele materialen .

Ze kunnen ook biologische membranen nabootsen. "Niemand heeft bedacht hoe je een mengsel van ionen of moleculen die ongeveer dezelfde grootte en vorm hebben, efficiënt kan scheiden, maar met deze klasse van materialen, we kunnen de poriegroottes en -vormen nauwkeurig controleren, ' zei Verduzco.

"Biologische membranen scheiden ionen van dezelfde grootte en laden door kleine veranderingen in de poriefunctionaliteit die bij voorkeur het ene of het andere ion binden, " zei hij. "Ik denk dat we kunnen beginnen met het maken van synthetische materialen met vergelijkbare eigenschappen."

Het lab ontwikkelt een bibliotheek van COF-aerogels om in toepassingen te testen. "Er is hier echt veel te ontdekken, ' zei Verduzco.