Кристаллическая сущность многослойности.

Учёные-материаловеды Университета Райса разработали быстрый, недорогой и масштабируемый метод изготовления ковалентных органических каркасов (COF). Источник.

Производство пористых мембран ‒ удовольствие довольно дорогостоящее, требующее к тому же больших временных затрат. Однако в некоторых областях применения экономия средств и времени на этих элементах порождает необходимость в полном пересмотре и усложнении конструкции целевого устройства. Эти меры влекут за собой другие недостатки: как в виде тех же ‒ а нередко и дополнительных ‒ издержек производства, так и в падении производительности приборов с новой конфигурацией.

Тем не менее высокоточные мембраны остаются уделом «избранных» устройств, в то время как возможность контролировать размер пор полезна в очень многих сферах применения. Тут надежда возлагается на ковалентные органические каркасы (COF) ‒ класс кристаллических полимеров, молекулярная структура которых поддаётся настройке. Вкупе с большой площадью поверхности и пористостью это позволяет им быть полезными в энергетике, полупроводниковых устройствах, датчиках, системах фильтрации и доставки лекарств.

Приблизить время триумфа этих странных органических каркасов получилось у двух молодых учёных из университета Райса: они нашли способ значительно ускорить, упростить и даже удешевить их производство.

«Что делает эти структуры такими особенными, так это то, что они являются полимерами, но образуют упорядоченную, повторяющуюся структуру, которая делает их кристаллами, ‒ говорит один из ведущих авторов исследования, опубликованного в ACS Nano, аспирант Джереми Даум. ‒ Эти структуры немного напоминают проволочную сетку — это шестиугольные решётки, которые повторяются в двухмерной плоскости, а затем накладываются друг на друга, и именно так вы получаете многослойный 2D-материал».

Его соавтор, выпускник докторантуры Райса Алек Айнсцтайн, заявляет, что их метод синтеза с использованием осаждения из паровой фазы позволяет производить упорядоченные двумерные кристаллические COF в рекордно короткие сроки.

«Во многих случаях, когда вы создаёте COF с помощью обработки раствора, на плёнке нет никакой согласованности, ‒ поясняет он. ‒ Этот же метод синтеза позволяет нам контролировать ориентацию листа, гарантируя, что поры выровнены, как вы и хотите, если создаёте мембрану».

Одним из препятствий, мешающих более широкому использованию COF, является то, что методы производства, включающие обработку раствором, более длительны и их труднее адаптировать в промышленных условиях.

«На производство порошков для растворов, необходимых для получения COF, может потребоваться от 3 до 5 дней реакции, ‒ раскрывает нюансы Айнсцтайн. ‒ Наш метод намного быстрее. После нескольких месяцев оптимизации нам удаётся создавать высококачественные плёнки всего за 20 минут или меньше».

Дабы убедиться в правильности молекулярных структур полученных в результате экспериментов мембран, авторам пришлось отправиться в Аргоннскую национальную лабораторию. Здесь, в течение 71 часа непрерываемой посменной работы на усовершенствованном источнике фотонов, были проанализированы все образцы имеющиеся на тот момент образцы.

«Мы знали, это знаковый момент, но мы были слишком довольны результатами, ‒ делится радостными переживаниями Даум. ‒ Мы должны были обратиться в национальную лабораторию, потому что этот метод был единственным способом измерить качество наших плёнок и убедиться, что мы приняли правильные меры для их оптимизации».

Изучение материалов под микроскопом позволило понять начальные закономерности образования и роста COF-кристаллов. Это также обнаружило ошибочность одного давнего и весьма обоснованного предположения о том, что температуры до 340ºC (около 644 по Фаренгейту) и синтез органических молекул ‒ вещи несовместимые.

«Работая над этим проектом, мы наслушались от многих, кто считал, будто нагрев органических молекул до таких высоких температур помешает протеканию правильных реакций. Но мы обнаружили, что химическое осаждение из паровой фазы на самом деле является жизнеспособным способом для создания органических материалов», ‒ заявляет Айнсцтайн.

COF представляют собой класс кристаллических полимеров, чья настраиваемая молекулярная структура, большая площадь поверхности и пористость могут быть полезны в энергетике, полупроводниковых устройствах, датчиках, системах фильтрации и доставке лекарств. Источник.

Чтобы воплотить в жизнь свои теоретические выкладки, исследователям понадобился специализированный реактор. Он был построен, можно сказать, на коленке ‒ собственноручно; из недорогих и легко доступных материалов, которыми, по большей части, стали куски ранее выброшенного лабораторного оборудования. Всё-таки у товарищей учёных инженерный склад ума, и подобное «добро» в лабораториях редко живёт одну жизнь. Впрочем, как и у всякого мастеровитого человека.   

«Весь этот процесс был очень дешёвым в сборке, ‒ рассказывает Даум. ‒ Создание надёжного, масштабируемого процесса производства различных COF-плёнок, мы надеемся, позволит лучше применять COF в катализе, хранении энергии, мембранах и многом другом».

В рассуждениях о применении и пользе своего метода, речь заходит о сепараторах, где COF могут служить мембранами для опреснения воды. Вообще, потенциально, они, возможно, сумеют помочь нам со временем отойти от энергоёмких процессов вроде дистилляции. В электронике их также можно будет использовать в качестве сепараторов: например, в аккумуляторах или органических транзисторах.

«COF могут быть полезны в различных каталитических процессах ‒ например, вы можете использовать COF для расщепления углекислого газа на полезные химические вещества, такие как этилен и муравьиная кислота», ‒ заключает Даум, отмечая напоследок и эколого-климатическое значение сделанного открытия.

АРМК, по материалам университета Райса.