Holle moleculaire structuren bekend als COF's (covalente organische raamwerken), die kunnen dienen als selectieve filters of containers voor andere stoffen en vele andere potentiële toepassingen hebben, hebben ook de neiging om te lijden aan een inherent probleem:het is moeilijk om een ​​netwerk van COF's verbonden te houden in ruwe chemische omgevingen.

De conventionele chemie voor het koppelen van bouwstenen in 2D COF-sheets of 3D COF-frameworks is omkeerbaar. Deze omkeerbaarheid maakt de verbindingen binnen COF's zwak en onstabiel in sommige chemische omgevingen, het beperken van de praktische toepassingen van deze COF-materialen.

Nutsvoorzieningen, een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een chemisch proces gebruikt dat decennia geleden is ontdekt om de verbanden tussen COF's veel steviger te maken, en om de COF's nieuwe kenmerken te geven die hun toepassingen zouden kunnen uitbreiden.

"Het is als een 'weef'- en lasbenadering, " zei Yi Liu, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab. Liu leidde een team dat ontdekte hoe de zwakste schakels die COF's binden, konden versterken.

Deze ene simpele chemische benadering richt zich op een chemische reactie op het gebied van deze zwakke schakels, het vormen van veerkrachtige verbindingen waarvan werd aangetoond dat ze tijdens experimenten standhielden als een sterke las in ruwe chemische omgevingen.

De bevindingen van het team worden gedetailleerd beschreven in een studie, meldde dinsdag in het journaal Natuurcommunicatie , dat beschrijft hoe de techniek werkt.

"Hier laten we zien dat deze bindingen uitzonderlijk stabiel zijn tegen een verscheidenheid aan chemicaliën. We hebben zware omstandigheden geprobeerd en het ondersteunt deze bindingen nog steeds, ' zei Liu. 'Dit overtreft alles wat in de literatuur wordt vermeld.'

De chemische transformatie, hij merkte, maakt de bindingen tussen COF's nuttiger door hun elektronische en optische (op licht gebaseerde) eigenschappen te veranderen, bijvoorbeeld. "Ze kunnen na de reactie gemakkelijker elektronen overdragen, " hij zei, zodat 2D-lagen van deze sterk gebonden COF's zich meer als grafeen gedragen, een ander exotisch 2D-materiaal dat bijzondere elektronische en optische eigenschappen vertoont.

Xinle Li, een postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry en de hoofdauteur van de studie, zei, "We gaven dat reactieproces, voor het eerst gerapporteerd in de jaren zestig, een nieuw leven. We hebben het voor het eerst toegepast op COF's."

COF's zijn zwaar bestudeerd omdat ze zeer afstembaar zijn en volledig kunnen worden samengesteld uit lichte elementen zoals koolstof, waterstof, stikstof, en zuurstof - in tegenstelling tot structuren die bekend staan ​​als MOF's (metaal-organische raamwerken) die zwaardere elementen bevatten. Wetenschappers kunnen COF's maken met verschillende poriegroottes die hun functie kunnen beïnvloeden, het veranderen van wat er doorheen kan gaan of wat zich in deze poriën kan bevinden.

Dit zou de op COF gebaseerde materialen nuttig kunnen maken in systemen die ongewenste chemicaliën uit water filteren, bijvoorbeeld, kooldioxide reduceren tot andere chemische vormen met toegevoegde waarde, of dienen als zeer efficiënte facilitators voor andere soorten chemische processen.

Een belangrijk aspect van het onderzoek was het gebruik van geavanceerde beeldvormende technieken, zoals transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) bij de Molecular Foundry om de structuur van de gebonden COF's te zien, zeiden Liu en Li.

De onderzoekers zeiden dat de verkregen beelden, die duidelijk het honingraatachtige rooster van 2-D COF's laten zien, behoren tot de beste afbeeldingen tot nu toe van COF's, bevestiging van de chemische veranderingen in de COF's tot op een fractie van een nanometer (een nanometer is 1 miljardste van een meter).

"Voor en na de reactie, de poriegrootte verandert met ongeveer 0,3 nanometer, zei Liu. "Je kunt deze verschillen voor en na de reactie zien."

Om de chemische modificatiereactie uit te voeren, de onderzoekers plaatsten de COF's in een vloeibare oplossing die werd verwarmd tot ongeveer 230 graden Fahrenheit, en roerde het toen door.

Onderzoekers zeiden dat het mogelijk zou moeten zijn om de hoeveelheid op COF gebaseerde materialen op te schalen, en het team heeft al geëxperimenteerd met het gebruik van COF-vellen met andere materiaallagen om de functie van het gecombineerde materiaal aan te passen.

Het team is van plan om te testen hoe de productie van deze COF-materialen beter kan worden geautomatiseerd, en zal ook zoeken naar manieren om het reactieproces efficiënter te maken. Het team zal theorieën onderzoeken om de COF-veranderende chemie te helpen begrijpen en verbeteren.

"We willen dit chemische modificatieproces nog sneller en beter maken, " zei Li. "We hopen dat we de reactieomstandigheden milder kunnen maken, en de chemische stabiliteit en functionaliteit van COF's verder te vergroten."

Het werk van het team is een van de eerste gepubliceerde inspanningen van een nieuw programma bij de Molecular Foundry dat gericht is op het bevorderen van "combinatorische nanowetenschap" die is gericht op het gebruik van processen met een hoge doorvoer, in combinatie met theorie en beeldtechnologie, om nanostructuren te creëren en te bestuderen die componenten zijn in nieuwe materialen met verbeterde eigenschappen.