Pour cette classe émergente de matériaux, "les solutions sont le problème".

Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice ont développé une méthode rapide, peu coûteuse et évolutive pour fabriquer des cadres organiques covalents (COF). Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université Rice

Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice ont créé une technique efficace, abordable et évolutive pour produire des cadres organiques covalents (COF). Ces polymères cristallins se distinguent par leur structure moléculaire ajustable, leur surface étendue et leur porosité, ce qui les rend potentiellement précieux dans des domaines tels que les applications énergétiques, les dispositifs semi-conducteurs, les capteurs, les systèmes de filtration et la délivrance de médicaments.

"Ce qui rend ces structures si spéciales, c'est qu'elles sont des polymères mais elles s'agencent dans une structure ordonnée et répétitive qui en fait un cristal", a déclaré Jeremy Daum, étudiant en doctorat à Rice et premier auteur d'une étude publiée dans ACS Nano. "Ces structures ressemblent un peu à du grillage de poulet - ce sont des réseaux hexagonaux qui se répètent sur un plan bidimensionnel, puis ils s'empilent les uns sur les autres, et c'est ainsi que vous obtenez un matériau 2D en couches."

Alec Ajnsztajn, ancien doctorant de Rice et autre auteur principal de l'étude, a déclaré que la technique de synthèse permet de produire des COF cristallins 2D ordonnés en un temps record à l'aide de la déposition en phase vapeur.

"Souvent, lorsqu'on fabrique des COF par traitement en solution, il n'y a pas d'alignement sur le film", a déclaré Ajnsztajn. "Cette technique de synthèse nous permet de contrôler l'orientation de la feuille, en veillant à ce que les pores soient alignés, ce qui est ce que vous voulez si vous créez une membrane."

Alec Ajnsztajn (à gauche) et Jeremy Daum sont les principaux co-auteurs d'une étude publiée dans ACS Nano. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université Rice

La capacité de contrôler la taille des pores est utile dans les séparateurs, où les COF pourraient servir de membranes pour la désalinisation et potentiellement contribuer à remplacer des procédés énergivores tels que la distillation. En électronique, les COF pourraient être utilisés comme séparateurs de batterie et transistors organiques.

"Les COF ont le potentiel d'être utiles dans divers processus catalytiques - vous pourriez, par exemple, utiliser des COF pour décomposer le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles comme l'éthylène et l'acide formique", a déclaré Daum.

L'un des obstacles qui empêchent les COF d'être utilisés plus largement est que les méthodes de production impliquant un traitement en solution sont plus longues et plus difficiles à adapter dans les environnements industriels.

"Il peut falloir de trois à cinq jours de temps de réaction pour produire les poudres nécessaires à la génération de COF", a déclaré Ajnsztajn. "Notre méthode est beaucoup plus rapide. Après des mois d'optimisation, nous avons réussi à produire des films de haute qualité en seulement 20 minutes ou moins."

Pour s'assurer que leurs films présentaient la bonne structure moléculaire, Daum et Ajnsztajn se sont rendus au Laboratoire national d'Argonne, où ils ont analysé leurs échantillons à l'aide de l'Advanced Photon Source, travaillant en continu par roulement pendant 71 heures.

"Nous savions que c'était 'le moment', mais nous étions tellement heureux des résultats", a déclaré Daum. "Nous devions nous rendre dans un laboratoire national car cette technique était la seule façon de mesurer la qualité de nos films et de nous assurer que nous avions pris les bonnes mesures pour les optimiser."

Les COF sont une classe de polymères cristallins dont la structure moléculaire ajustable, la grande surface et la porosité pourraient être utiles dans les applications énergétiques, les dispositifs semi-conducteurs, les capteurs, les systèmes de filtration et la délivrance de médicaments. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université Rice

Des études en microscopie ont permis de comprendre comment les cristaux COF se développent et ont aidé à montrer que des températures allant jusqu'à 340 degrés Celsius (~644 Fahrenheit) pourraient être utilisées pour synthétiser des molécules organiques.

"Pendant ce projet, nous avons entendu beaucoup de gens penser que chauffer des molécules organiques à de telles températures élevées empêcherait les bonnes réactions de se produire, mais ce que nous avons découvert, c'est que la déposition en phase vapeur chimique est en fait un moyen viable de créer des matériaux organiques", a déclaré Ajnsztajn.

Pour fabriquer les COF, Daum et Ajnsztajn ont construit un réacteur ad hoc à partir de pièces d'équipement de laboratoire abandonnées et d'autres matériaux bon marché et facilement disponibles.

"Tout ce processus était très bon marché à assembler", a déclaré Daum. "Établir un processus robuste et évolutif de production de divers films COF permettra, espérons-le, une meilleure application des COF dans la catalyse, le stockage de l'énergie, les membranes, et plus encore."