Für diese aufkommende Klasse von Materialien sind "Lösungen das Problem".

Rice University-Materialwissenschaftler haben eine schnelle, kostengünstige und skalierbare Methode zur Herstellung kovalenter organischer Gerüste (KOGs) entwickelt. Bild: Foto von Gustavo Raskosky/Rice University

Materialwissenschaftler an der Rice University haben eine effiziente, erschwingliche und skalierbare Technik zur Herstellung kovalenter organischer Gerüste (KOGs) entwickelt. Diese kristallinen Polymere zeichnen sich durch ihre einstellbare molekulare Struktur, ihre große Oberfläche und Porosität aus und sind daher potenziell wertvoll in Bereichen wie Energieanwendungen, Halbleitergeräten, Sensoren, Filtrationssystemen und Arzneimittelabgabe.

"Was diese Strukturen so besonders macht, ist, dass sie Polymere sind, aber sie ordnen sich in einer geordneten, sich wiederholenden Struktur an, die es zu einem Kristall macht", sagte Jeremy Daum, ein Doktorand an der Rice University und Hauptautor einer in ACS Nano veröffentlichten Studie. "Diese Strukturen sehen ein bisschen aus wie Hühnerdraht - es sind hexagonale Gitter, die sich auf einer zweidimensionalen Ebene wiederholen, und dann stapeln sie sich aufeinander, und so entsteht ein geschichtetes zweidimensionales Material."

Alec Ajnsztajn, ein ehemaliger Doktorand der Rice University und der andere Hauptautor der Studie, sagte, dass die Synthesemethode es ermöglicht, geordnete zweidimensionale kristalline KOGs in Rekordzeit mittels Gasphasenabscheidung herzustellen.

"Oftmals gibt es bei der Herstellung von KOGs durch Lösungsverarbeitung keine Ausrichtung auf der Folie", sagte Ajnsztajn. "Diese Synthesetechnik ermöglicht es uns, die Orientierung der Schicht zu kontrollieren und sicherzustellen, dass die Poren ausgerichtet sind. Das ist das, was man möchte, wenn man eine Membran herstellt."

Alec Ajnsztajn (links) und Jeremy Daum sind Hauptmitautoren einer in ACS Nano veröffentlichten Studie. Bild: Foto von Gustavo Raskosky/Rice University

Die Fähigkeit, die Porengröße zu steuern, ist nützlich in Separatoren, wo KOGs als Membranen für die Meerwasserentsalzung dienen könnten und möglicherweise energieintensive Prozesse wie Destillation ersetzen helfen. In der Elektronik könnten KOGs als Batterietrenner und organische Transistoren verwendet werden.

"KOGs haben das Potenzial, in einer Vielzahl von katalytischen Prozessen nützlich zu sein - man könnte zum Beispiel KOGs verwenden, um Kohlendioxid in nützliche Chemikalien wie Ethylen und Ameisensäure zu zerlegen", sagt Daum.

Eine der Hürden, die einer breiteren Verwendung von KOGs im Wege stehen, besteht darin, dass die herkömmlichen Herstellungsmethoden mit Lösungsverarbeitung zeitaufwändiger sind und in industriellen Umgebungen schwieriger umzusetzen sind.

"Es kann drei bis fünf Tage dauern, um die Pulver für die Lösungen, die zur Erzeugung von KOGs benötigt werden, herzustellen", sagte Ajnsztajn. "Unsere Methode ist viel schneller. Nach Monaten der Optimierung konnten wir hochwertige Filme in nur 20 Minuten oder weniger herstellen."

Um sicherzugehen, dass ihre Filme die richtige molekulare Struktur aufweisen, gingen Daum und Ajnsztajn zum Argonne National Laboratory, wo sie ihre Proben mit Hilfe der Advanced Photon Source analysierten und kontinuierlich in Schichten 71 Stunden lang arbeiteten.

"Wir wussten, dass es an der Zeit war, aber wir waren so glücklich mit den Ergebnissen", sagte Daum. "Wir mussten zu einem nationalen Labor gehen, weil diese Technik die einzige Möglichkeit war, die Qualität unserer Filme zu messen und sicherzustellen, dass wir die richtigen Maßnahmen zur Optimierung ergriffen haben."

KOGs sind eine Klasse von kristallinen Polymeren, deren einstellbare molekulare Struktur, große Oberfläche und Porosität in Energieanwendungen, Halbleitergeräten, Sensoren, Filtrationssystemen und Arzneimittelabgabe nützlich sein können. Bild: Foto von Gustavo Raskosky/Rice University

Mikroskopiestudien ermöglichten Einblicke in das Wachstum von KOG-Kristallen und zeigten, dass Temperaturen von bis zu 340 Grad Celsius (~644 Fahrenheit) verwendet werden können, um organische Moleküle zu synthetisieren.

"Während der Arbeit an diesem Projekt haben wir von vielen Menschen gehört, die der Meinung waren, dass das Erhitzen organischer Moleküle auf so hohe Temperaturen die richtigen Reaktionen verhindern würde, aber das, was wir herausgefunden haben, ist, dass die chemische Gasphasenabscheidung tatsächlich eine realisierbare Methode zur Herstellung organischer Materialien ist", sagte Ajnsztajn.

Um die KOGs herzustellen, haben Daum und Ajnsztajn einen Ad-hoc-Reaktor aus ausgemusterten Laborgeräteteilen und anderen kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien gebaut.

"Dieser gesamte Prozess war etwas, das sehr kostengünstig zusammengestellt wurde", sagte Daum. "Die Etablierung eines robusten, skalierbaren Prozesses zur Herstellung verschiedener KOG-Filme wird hoffentlich eine bessere Anwendung von KOGs in Katalyse, Energiespeicherung, Membranen und mehr ermöglichen."