Per questa emergente classe di materiali, "Le soluzioni sono il problema"

Scienziati dei materiali presso la Rice University hanno sviluppato un metodo rapido, a basso costo e scalabile per creare reticoli organici covalenti (COF). Crediti: Foto di Gustavo Raskosky/Rice University

Gli scienziati dei materiali presso la Rice University hanno creato una tecnica efficiente, conveniente e scalabile per produrre reticoli organici covalenti (COF). Questi polimeri cristallini sono notevoli per la loro struttura molecolare regolabile, ampia area superficiale e porosità, rendendoli potenzialmente preziosi in settori come applicazioni energetiche, dispositivi a semiconduttore, sensori, sistemi di filtrazione e somministrazione di farmaci.

"Ciò che rende queste strutture così speciali è che sono polimeri ma si dispongono in una struttura ordinata e ripetitiva che la rende un cristallo", ha detto Jeremy Daum, uno studente di dottorato alla Rice e autore principale di uno studio pubblicato su ACS Nano. "Queste strutture assomigliano un po' al filo di ferro da gallina, sono reticoli esagonali che si ripetono su un piano bidimensionale e poi si sovrappongono, ed è così che ottieni un materiale 2D a strati".

Alec Ajnsztajn, ex dottorando alla Rice e altro autore principale dello studio, ha detto che la tecnica di sintesi permette di produrre COF cristallini 2D ordinati in tempi record utilizzando la depositazione a vapore.

"Spesso, quando si producono COF tramite lavorazione delle soluzioni, non c'è allineamento nel film", ha detto Ajnsztajn. "Questa tecnica di sintesi ci permette di controllare l'orientamento del foglio, garantendo che i pori siano allineati, cosa che si desidera se si sta creando una membrana".

Alec Ajnsztajn (sinistra) e Jeremy Daum sono autori principali dello studio pubblicato su ACS Nano. Crediti: Foto di Gustavo Raskosky/Rice University

La capacità di controllare la dimensione dei pori è utile nelle separatori, dove i COF potrebbero fungere da membrane per la desalinizzazione e potenzialmente contribuire a sostituire processi ad alta intensità energetica come la distillazione. Nell'elettronica, i COF potrebbero essere utilizzati come separatori di batteria e transistor organici.

"I COF hanno il potenziale per essere utili in una varietà di processi catalitici - ad esempio, potresti utilizzare i COF per decomporre la diossina di carbonio in sostanze chimiche utili come etilene e acido formico", ha detto Daum.

Uno degli ostacoli che impedisce ai COF di essere utilizzati più ampiamente è che i metodi di produzione che coinvolgono la lavorazione delle soluzioni richiedono più tempo e sono più difficili da adattare alle impostazioni industriali.

"Può richiedere da tre a cinque giorni di tempo di reazione per produrre le polveri per le soluzioni necessarie per generare i COF", ha detto Ajnsztajn. "Il nostro metodo è molto più veloce. Dopo mesi di ottimizzazione, siamo riusciti a produrre film di alta qualità in soli 20 minuti o meno".

Per assicurarsi che i loro film mostrassero la giusta struttura molecolare, Daum e Ajnsztajn si sono recati all'Argonne National Laboratory, dove hanno analizzato i loro campioni utilizzando l'Advanced Photon Source, lavorando continuamente a turni per 71 ore.

"Sapevamo che era il momento giusto, e siamo stati così felici dei risultati", ha detto Daum. "Abbiamo dovuto recarci in un laboratorio nazionale perché questa tecnica era l'unico modo per misurare la qualità dei nostri film e assicurarci di aver adottato le misure corrette per ottimizzarli".

I COF sono una classe di polimeri cristallini la cui struttura molecolare regolabile, ampia area superficiale e porosità potrebbero essere utili in applicazioni energetiche, dispositivi a semiconduttore, sensori, sistemi di filtrazione e somministrazione di farmaci. Crediti: Foto di Gustavo Raskosky/Rice University

Studi di microscopia hanno fornito informazioni su come crescono i cristalli di COF e hanno aiutato a dimostrare che temperature fino a 340 gradi Celsius (~644 Fahrenheit) potrebbero essere utilizzate per sintetizzare molecole organiche.

"Mentre lavoravamo a questo progetto, abbiamo sentito molte persone dire che riscaldare le molecole organiche a temperature così elevate impedirebbe lo svolgimento delle reazioni corrette, ma ciò che abbiamo scoperto è che la deposizione chimica di vapore è, in realtà, un modo valido per creare materiali organici", ha detto Ajnsztajn.

Per creare i COF, Daum e Ajnsztajn hanno costruito un reattore ad hoc utilizzando parti di attrezzature di laboratorio scartate e altri materiali economici e facilmente reperibili.

"L'intero processo è stato molto economico da realizzare", ha detto Daum. "Creare un processo robusto e scalabile per la produzione di una varietà di film COF permetterà sperabilmente una migliore applicazione dei COF in catalisi, accumulo di energia, membrane e altro ancora".