05 december 2023 (Nanowerk-schijnwerper) Onderzoekers onderzoeken tweedimensionale (2D) metaal-organische kaders (MOF's) – kristallijne materialen met een ongelooflijk dunne dikte op nanoschaal – voor geavanceerde toepassingen op het gebied van scheiding, katalyse, elektronica en energieopslag. Maar er is een grote wegversperring blijven bestaan. De aangeboren materiële instabiliteit zorgt ervoor dat deze delicate structuren geaggregeerd en onbruikbaar worden. Nu hebben wetenschappers van de Universiteit van Tokio deze barrière overwonnen met een nieuwe polymeertransplantatietechniek om eindelijk de langverwachte belofte van 2D MOF's te benutten. Zij rapporteren hun bevindingen in Geavanceerde functionele materialen (“Polymeer-enten van MOF-nanosheets voor de fabricage van veelzijdige 2D-materialen”).
Overzicht van de synthese van met polymeer geënte MOF-nanosheets. a) Synthese van verspreide MOF-nanosheets gefunctionaliseerd met polymerisatie-initiërend middel (L) op de oppervlakken (1NS-L), wat wordt bereikt via zowel tweestaps- als éénstapsroutes. H4TCPP(H2) geeft geprotoneerde versie van TCPP aan in een vrije basevorm. b) Daaropvolgende oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie vanaf 1NS-L biedt c) polymeer-geënte MOF-nanosheet (1NS-LPolymeer). Chemische structuur van de ZnTCPP-eenheid in d) 1NS-L en e) polystyreen (PSt)-geënte MOF-nanosheet (1NS-LPSt). (© Advanced Functional Materials) Historisch gezien is de aantrekkingskracht van 2D MOF's de unieke combinatie van hoge structurele veelzijdigheid en ultradunne vlakke morfologie geweest. Dit zorgt voor zowel een ongelooflijke verwerkbaarheid voor industrieel gebruik als een ingewikkelde controle om de interne moleculaire transportroutes af te stemmen. Eerdere pogingen om 2D MOF-membranen voor waterzuivering of katalysatorbedden voor de productie van schone energie te ontwikkelen, stuitten echter op hetzelfde probleem: de materialen zijn te onstabiel in reële werkomgevingen. De cruciale uitdaging ligt in de intrinsiek hoge oppervlakte-energie van 2D-platen, waardoor ze zich opstapelen tot nutteloze aggregaten, tenzij extreem hoge dispergeermiddelbelastingen worden gebruikt. Maar hier zorgt het nieuwe polymeerentconcept voor een keerpunt. Door de MOF-vellen te versieren met nauwkeurig verankerde polymeerketens, demonstreren de onderzoekers volledige controle over de oppervlaktechemie, structuur en eigenschappen. De met polymeer omhulde platen worden niet langer aan aggregatie overgelaten en behouden de verwerkbaarheid voor het construeren van functionele membranen en apparaten. De studie concentreert zich op het enten van vinylpolymeren – ketens van zich herhalende organische moleculen – op nanosheets van ZnTCPP, een prototypisch 2D metaal-organisch raamwerkmateriaal bestaande uit zinkatomen gecoördineerd door organische linkermoleculen. Maar de toepassing van dit concept belooft het hele veld van 2D MOF-onderzoek te ontsluiten dat voorheen werd belemmerd door slechte stabiliteit. De onderzoekers integreerden speciaal ontworpen ‘initiator’-moleculen in het ZnTCPP-framework waardoor polymeerketens rechtstreeks uit de nanosheet-oppervlakken konden groeien terwijl de interne kristallijne structuur intact bleef. Door het toevoegen van styreen of gefluoreerde styreenmonomeren werd de groei van aanpasbare polymeerborstels uit de gehele vlakke oppervlakken mogelijk gemaakt. Gedetailleerde analyses bevestigden dat polymeren met geprogrammeerde lengte en samenstelling covalent aan de platen werden vastgemaakt door robuuste chemische verankeringsplaatsen. Dus in plaats van zich te verzamelen in gestapelde stapels, vertonen de 2D ZnTCPP-kristallen nu vrij zwevende individuele nanoplaten bedekt met stabiliserende polymeerlagen. Dit nano-hybride materiaal combineert de voordelen van gemakkelijke polymeerverwerkbaarheid en nauwkeurige controle over MOF-poriestructuurpaden. Om het potentieel van hun aanpak aan te tonen, heeft het team eerst normale polystyreenketens geënt om organofiele hybride ZnTCPP-platen te maken. Moeiteloos verspreid in oplosmiddelen katalyseerden hun geïnstalleerde actieve plaatsen van Zn-porfyrine chemische reacties onder bestraling met licht – iets wat onmogelijk was zonder polymeerhulp.
Vervolgens creëerde het enten van geperfluoreerde polystyreenketens nieuwe superhydrofobe eigenschappen. Nanosheets dreven perfect op water zonder nat te worden. Gestapeld in een membraan maakte dit een efficiënte filtering van geëmulgeerde olie/water-mengsels twintig keer mogelijk zonder prestatieverlies – een doorbraak voor duurzame waterzuivering. De studie biedt een platform om 20D-polymeer-MOF-hybriden te construeren met vrijwel onbeperkte afstembare facetten door verschillende polymeren en MOF's te selecteren. Nanosheetfilms met patronen voor selectieve gasscheiding en -detectie kunnen de milieubescherming en de gezondheidszorg bevorderen. Het integreren van elektrisch geleidende MOF's belooft in polymeer omhulde nanosheet-anodes voor kleinere en veiligere lithiumbatterijen in elektrische voertuigen. Specifiek functionele biologische membranen komen ook in zicht voor georkestreerd medicijntransport en biosensoren. Commerciële opschaling lijkt gemakkelijker te bereiken zonder zorgen over aggregatie. Na jaren in het laboratorium te hebben doorgebracht, brengt het ontsluiten van stabiliteit en verwerkbaarheid 2D metaal-organische raamwerken verleidelijk dicht bij het transformeren van duurzame grootschalige technologieën.
Overzicht van de synthese van met polymeer geënte MOF-nanosheets. a) Synthese van verspreide MOF-nanosheets gefunctionaliseerd met polymerisatie-initiërend middel (L) op de oppervlakken (1NS-L), wat wordt bereikt via zowel tweestaps- als éénstapsroutes. H4TCPP(H2) geeft geprotoneerde versie van TCPP aan in een vrije basevorm. b) Daaropvolgende oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie vanaf 1NS-L biedt c) polymeer-geënte MOF-nanosheet (1NS-LPolymeer). Chemische structuur van de ZnTCPP-eenheid in d) 1NS-L en e) polystyreen (PSt)-geënte MOF-nanosheet (1NS-LPSt). (© Advanced Functional Materials) Historisch gezien is de aantrekkingskracht van 2D MOF's de unieke combinatie van hoge structurele veelzijdigheid en ultradunne vlakke morfologie geweest. Dit zorgt voor zowel een ongelooflijke verwerkbaarheid voor industrieel gebruik als een ingewikkelde controle om de interne moleculaire transportroutes af te stemmen. Eerdere pogingen om 2D MOF-membranen voor waterzuivering of katalysatorbedden voor de productie van schone energie te ontwikkelen, stuitten echter op hetzelfde probleem: de materialen zijn te onstabiel in reële werkomgevingen. De cruciale uitdaging ligt in de intrinsiek hoge oppervlakte-energie van 2D-platen, waardoor ze zich opstapelen tot nutteloze aggregaten, tenzij extreem hoge dispergeermiddelbelastingen worden gebruikt. Maar hier zorgt het nieuwe polymeerentconcept voor een keerpunt. Door de MOF-vellen te versieren met nauwkeurig verankerde polymeerketens, demonstreren de onderzoekers volledige controle over de oppervlaktechemie, structuur en eigenschappen. De met polymeer omhulde platen worden niet langer aan aggregatie overgelaten en behouden de verwerkbaarheid voor het construeren van functionele membranen en apparaten. De studie concentreert zich op het enten van vinylpolymeren – ketens van zich herhalende organische moleculen – op nanosheets van ZnTCPP, een prototypisch 2D metaal-organisch raamwerkmateriaal bestaande uit zinkatomen gecoördineerd door organische linkermoleculen. Maar de toepassing van dit concept belooft het hele veld van 2D MOF-onderzoek te ontsluiten dat voorheen werd belemmerd door slechte stabiliteit. De onderzoekers integreerden speciaal ontworpen ‘initiator’-moleculen in het ZnTCPP-framework waardoor polymeerketens rechtstreeks uit de nanosheet-oppervlakken konden groeien terwijl de interne kristallijne structuur intact bleef. Door het toevoegen van styreen of gefluoreerde styreenmonomeren werd de groei van aanpasbare polymeerborstels uit de gehele vlakke oppervlakken mogelijk gemaakt. Gedetailleerde analyses bevestigden dat polymeren met geprogrammeerde lengte en samenstelling covalent aan de platen werden vastgemaakt door robuuste chemische verankeringsplaatsen. Dus in plaats van zich te verzamelen in gestapelde stapels, vertonen de 2D ZnTCPP-kristallen nu vrij zwevende individuele nanoplaten bedekt met stabiliserende polymeerlagen. Dit nano-hybride materiaal combineert de voordelen van gemakkelijke polymeerverwerkbaarheid en nauwkeurige controle over MOF-poriestructuurpaden. Om het potentieel van hun aanpak aan te tonen, heeft het team eerst normale polystyreenketens geënt om organofiele hybride ZnTCPP-platen te maken. Moeiteloos verspreid in oplosmiddelen katalyseerden hun geïnstalleerde actieve plaatsen van Zn-porfyrine chemische reacties onder bestraling met licht – iets wat onmogelijk was zonder polymeerhulp.Vervolgens creëerde het enten van geperfluoreerde polystyreenketens nieuwe superhydrofobe eigenschappen. Nanosheets dreven perfect op water zonder nat te worden. Gestapeld in een membraan maakte dit een efficiënte filtering van geëmulgeerde olie/water-mengsels twintig keer mogelijk zonder prestatieverlies – een doorbraak voor duurzame waterzuivering. De studie biedt een platform om 20D-polymeer-MOF-hybriden te construeren met vrijwel onbeperkte afstembare facetten door verschillende polymeren en MOF's te selecteren. Nanosheetfilms met patronen voor selectieve gasscheiding en -detectie kunnen de milieubescherming en de gezondheidszorg bevorderen. Het integreren van elektrisch geleidende MOF's belooft in polymeer omhulde nanosheet-anodes voor kleinere en veiligere lithiumbatterijen in elektrische voertuigen. Specifiek functionele biologische membranen komen ook in zicht voor georkestreerd medicijntransport en biosensoren. Commerciële opschaling lijkt gemakkelijker te bereiken zonder zorgen over aggregatie. Na jaren in het laboratorium te hebben doorgebracht, brengt het ontsluiten van stabiliteit en verwerkbaarheid 2D metaal-organische raamwerken verleidelijk dicht bij het transformeren van duurzame grootschalige technologieën.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64185.php
