Estructuras moleculares huecas conocidas como COF (marcos orgánicos covalentes), que podrían servir como filtros selectivos o contenedores para otras sustancias y tener muchos otros usos potenciales, también tienden a sufrir un problema inherente:es difícil mantener una red de COF conectados en entornos químicos agresivos.

La química convencional para unir bloques de construcción en láminas COF 2-D o estructuras COF 3-D es reversible. Esta reversibilidad hace que las conexiones dentro de los COF sean débiles e inestables en algunos entornos químicos, limitando las aplicaciones prácticas de estos materiales COF.

Ahora, un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha utilizado un proceso químico descubierto hace décadas para hacer que los vínculos entre los COF sean mucho más sólidos, y dotar a los COF de nuevas características que puedan ampliar sus aplicaciones.

"Es como un enfoque de 'tejido' y soldadura, "dijo Yi Liu, científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab. Liu dirigió un equipo que descubrió cómo fortalecer los eslabones más débiles que vinculan a los COF.

Este enfoque químico simple tiene como objetivo una reacción química en el área de estos eslabones débiles, formando enlaces elásticos que demostraron resistir, como una soldadura fuerte, a entornos químicos agresivos durante los experimentos.

Los hallazgos del equipo se detallan en un estudio, informó el martes en la revista Comunicaciones de la naturaleza , que detalla cómo funciona la técnica.

"Aquí mostramos que estos enlaces son excepcionalmente estables a una variedad de productos químicos. Hemos probado condiciones duras y todavía sostiene estos enlaces, ", Dijo Liu." Esto supera todo lo informado en la literatura ".

La transformación química, El lo notó, hace que los enlaces entre los COF sean más útiles al cambiar sus propiedades electrónicas y ópticas (basadas en la luz), por ejemplo. "Pueden transferir electrones más fácilmente después de la reacción, " él dijo, de modo que las capas 2-D de estos COF fuertemente unidos se comportan más como grafeno, otro material 2-D exótico que exhibe propiedades electrónicas y ópticas especiales.

Xinle Li, becario postdoctoral en Molecular Foundry y autor principal del estudio, dijo, "Dimos ese proceso de reacción, reportado por primera vez en la década de 1960, una nueva vida. Lo aplicamos a los COF por primera vez ".

Los COF se han estudiado en profundidad porque son altamente sintonizables y pueden estar compuestos completamente de elementos ligeros como el carbono, hidrógeno, nitrógeno, y oxígeno, a diferencia de las estructuras conocidas como MOF (armazones organometálicos) que contienen elementos más pesados. Los científicos pueden producir COF con diferentes tamaños de poro que pueden afectar su función, cambiando lo que puede pasar a través de ellos o lo que puede estar contenido dentro de estos poros.

Esto podría hacer que los materiales basados ​​en COF sean útiles en sistemas que filtran químicos no deseados del agua, por ejemplo, reducir el dióxido de carbono a otras formas químicas de valor agregado, o servir como facilitadores altamente eficientes para otros tipos de procesos químicos.

Un aspecto importante del estudio fue el uso de técnicas de imagen avanzadas, como microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) en Molecular Foundry para ver la estructura de los COF ligados, Dijeron Liu y Li.

Los investigadores dijeron que las imágenes obtenidas, que muestran claramente la celosía en forma de panal de COF 2-D, se encuentran entre las mejores imágenes hasta ahora de COF, confirmando los cambios químicos en los COF hasta una fracción de nanómetro (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro).

"Antes y después de la reacción, el tamaño de los poros cambia en aproximadamente 0,3 nanómetros, Dijo Liu. "Puedes ver estas diferencias antes y después de la reacción".

Para llevar a cabo la reacción de modificación química, los investigadores colocaron los COF en una solución líquida que se calentó a unos 230 grados Fahrenheit, y luego lo removió.

Los investigadores dijeron que debería ser posible aumentar la cantidad de materiales basados ​​en COF, y el equipo ya ha experimentado con el uso de láminas COF con otras capas de material para personalizar la función del material combinado.

El equipo planea probar cómo automatizar mejor la producción de estos materiales COF, y también buscará formas de hacer que el proceso de reacción sea más eficiente. El equipo explorará teorías para ayudar a comprender y mejorar la química que altera el COF.

"Queremos que este proceso de modificación química sea aún más rápido y mejor, ", Dijo Li." Esperamos poder hacer que las condiciones de reacción sean más suaves, y aumentar aún más la estabilidad química y la funcionalidad de los COF ".

El trabajo del equipo es uno de los primeros esfuerzos publicados de un nuevo programa en Molecular Foundry con el objetivo de avanzar en la "nanociencia combinatoria" que se centra en el uso de procesos de alto rendimiento. en combinación con la teoría y la tecnología de imágenes, para crear y estudiar nanoestructuras que son componentes de nuevos materiales con propiedades mejoradas.