(Ειδήσεις Nanowerk) Ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο ανακάλυψαν για πρώτη φορά την επιλεκτική παραγωγή τριών τύπων δομικών ισομερών (ένα σύνολο διαφορετικών νανοδομών με ίδια χημική σύνθεση) τρισδιάστατων ομοιοπολικά οργανικά πλαίσια (3D-COF), αναδυόμενα νανοπορώδη στερεά που προτείνονται για πολλές εφαρμογές, δημιουργώντας νέα ελευθερία για δομικούς ελέγχους και ελέγχους ιδιοκτησίας των 3D-COF. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο Εφημερίδα της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας ("Τριπλός ισομερισμός σε 3D ομοιοπολικά οργανικά πλαίσια"). Τα πορώδη στερεά παίζουν μυριάδες ρόλους στον κόσμο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ενεργό άνθρακα, ζεόλιθο και μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs). Οι στερεοί ηλεκτρολύτες στις μπαταρίες επόμενης γενιάς έχουν κανάλια μετανάστευσης ιόντων και ως εκ τούτου είναι πορώδη στερεά με ευρεία έννοια. Επειδή οι ιδιότητες των πορωδών στερεών υπαγορεύονται από το μέγεθος των πόρων, τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι πόροι εσωτερικά και η χημική φύση των τοιχωμάτων των πόρων, η επίτευξη υψηλών βαθμών ελευθερίας στο σχεδιασμό αυτών των ιδιοτήτων είναι ζωτικής σημασίας. Ως νέα κατηγορία νανοπορωδών στερεών, τα COF σχηματίζονται από ομοιοπολικά και επαναλαμβανόμενα συμπυκνωμένα μόρια δομικών μονάδων. Τα COF έχουν πρόσφατα μελετηθεί εκτενώς επειδή προσφέρουν υψηλή σχεδιαστική ελευθερία όσον αφορά τη λειτουργία και τις μικροσκοπικές γεωμετρίες στα υλικά, καθώς και την υψηλή θερμική σταθερότητα που είναι επιθυμητή για εφαρμογές. Ειδικά, ως υποκατηγορία COF, τα τρισδιάστατα COF (3D-COF) αναμένεται να είναι χρήσιμα λόγω των εγγενώς πλουσιότερων τοπολογιών πλαισίου τους από αυτά των προηγούμενων δισδιάστατων COF. Οι περισσότερες από τις προηγούμενες μελέτες COF αφορούσαν 2D-COF. Ωστόσο, υπήρξε ένα δίλημμα. Τα COF έχουν πιο σταθερούς και σκληρότερους ομοιοπολικούς δεσμούς από τα MOF, τα οποία έχουν ασθενέστερους και μαλακότερους δεσμούς συντονισμού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα πλεονέκτημα και δύο μειονεκτήματα. Ένα πλεονέκτημα είναι η υψηλότερη σταθερότητα που ενισχύει την ανθεκτικότητα κατά τη χρήση. Το πρώτο μειονέκτημα είναι η φτωχότερη τοπολογική ποικιλομορφία στις γεωμετρίες πλαισίου που έχουν επιτευχθεί μέχρι τώρα. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι η δυσκολία στην απόκτηση COF με υψηλή κρυσταλλικότητα στο βαθμό που τα κρυσταλλικά σχήματα είναι αναγνωρίσιμα με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Και τα δύο αυτά μειονεκτήματα προέρχονται από την ίδια ρίζα—την εξαιρετικά άκαμπτη και κατευθυντική φύση των ομοιοπολικών δεσμών (σε σύγκριση με τους λιγότερο άκαμπτους και λιγότερο κατευθυντικούς δεσμούς συντονισμού που αποτελούν τους MOF). Η αντιμετώπιση αυτών των μειονεκτημάτων ήταν αναπόφευκτη για την ενίσχυση των εφαρμογών των 3D-COF. Για την επίλυση αυτών των ζητημάτων, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Yoichi Murakami του Εργαστηρίου για την Ενέργεια Μηδενικού Άνθρακα στο Ινστιτούτο Καινοτόμων Έρευνας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Τόκιο προσπάθησε να δημιουργήσει έναν νέο τύπο 3D-COF συνδυάζοντας μόρια δομικών στοιχείων που περιέχουν εύκαμπτα τμήματα. Όπως φαίνεται από τα σχήματα 1a και b, επέλεξαν το TAM, το οποίο είναι ένα μονομερές με γωνιακή ευκαμψία στις κατευθύνσεις των τεσσάρων χαρακτηριστικών αμίνης, και το 4EBDA, το οποίο είναι ένα μονομερές με δύο εύκαμπτες πλευρικές αλυσίδες και δύο λειτουργίες αλδεΰδης, για να τις συμπυκνώσουν σχηματίζοντας δεσμοί ιμίνης—ένας από τους γνωστούς ομοιοπολικούς δεσμούς σε οργανικές ενώσεις. Η πλευρική αλυσίδα («R» στο Σχήμα 1β) είναι μέρος της πολυαιθυλενογλυκόλης, η οποία είναι μια λειτουργικότητα που είναι γνωστή ότι ενισχύει τη μεταφορά ιόντων λιθίου και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρολύτης στερεάς κατάστασης σε μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Εικόνα 1. 3D-COF που παρουσιάζουν ισομέρεια πλαισίου που ανακαλύφθηκε σε αυτή την εργασία. (α) Σχηματικό σχηματισμό δεσμού ιμίνης. (β) Τα μόρια δομικών μονάδων που επιλέχθηκαν σε αυτή την εργασία (R: αλυσίδα πολυαιθυλενογλυκόλης) και η κατασκευή ενός εκτεταμένου δικτύου από σχηματισμούς δεσμών ιμίνης μέσω πολυσυμπύκνωσης των μορίων. (γ) Οπτικές μικρογραφίες των TK-COF-1, TK-COF-2 και TK-COF-3 για πρώτη φορά που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη. (Εικόνα: Tokyo Tech) Είναι σημαντικό, μετά από επαναλαμβανόμενες δοκιμές πολλών συνθηκών σχηματισμού σε διάλυμα, η ερευνητική ομάδα παρήγαγε όμορφους, υψηλής ποιότητας κρυστάλλους με τρία ευδιάκριτα διαφορετικά σχήματα που φαίνονται στο Σχήμα 1γ. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτούς τους κρυστάλλους TK-COF-1, TK-COF-2 και TK-COF-3. Παραδόξως, η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ότι αυτά τα τρία νέα COF είχαν την ίδια χημική σύνθεση. Οι μετρήσεις περίθλασης ακτίνων Χ των κρυστάλλων αποκάλυψαν τις ποιοτικά διαφορετικές νανοδομές τους όπως φαίνεται στα Σχήματα 2α έως γ. Οι τοπολογίες πλαισίου αυτών των κρυστάλλων βρέθηκαν να είναι dia (TK-COF-1), qtz (TK-COF-2) και dia-c3 (TK-COF-3). Αυτό είναι ένα σημαντικό εύρημα ότι η ποικιλομορφία των δομών και των ιδιοτήτων των 3D-COFs μπορεί να αυξηθεί όχι μόνο με τον συμβατικό τρόπο επιλογής μορίων μπλοκ αλλά και ελέγχοντας την εμφάνιση του τύπου ισομερούς κατά την πολυσυμπύκνωση μορίων δομικών μονάδων. Η πυκνότητα των COF (που υποδεικνύεται στα πλαίσια του σχήματος) άλλαξε επιτυχώς κατά ένα συντελεστή περίπου 3 λόγω της επιλογής των ισομερών, όπως υποδεικνύεται στα πλαίσια του Σχήματος 2.
Σχήμα 2. Μικροσκοπικές δομές πλαισίου των (α) TK-COF-1, (β) TK-COF-2, και (γ) TK-COF-3. Αυτά βρέθηκαν να έχουν τοπολογίες πλαισίου dia, qtz και dia-c3, αντίστοιχα. (Εικόνα: Tokyo Tech) Συνοπτικά, αυτή η εργασία καταδεικνύει ότι οι βασικές ιδιότητες των 3D-COFs (πυκνότητα, μέγεθος πόρων, μηχανικές ιδιότητες, κ.λπ.) μπορούν να συντονιστούν με έναν νέο βαθμό ελευθερίας χρησιμοποιώντας την εμφάνιση και τον έλεγχο της δομικής ισομέρειας. Αυτό το αποτέλεσμα θα επιταχύνει τις μελλοντικές εφαρμογές των COF.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64793.php
