Los científicos de materiales de la Universidad Rice desarrollaron un método escalable, rápido y de bajo costo para fabricar estructuras orgánicas covalentes (COF), una clase de polímeros cristalinos cuya estructura molecular sintonizable, gran área de superficie y porosidad podrían ser útiles en aplicaciones de energía, dispositivos semiconductores, sensores, sistemas de filtración y administración de medicamentos.

"Lo que hace que estas estructuras sean tan especiales es que son polímeros, pero se organizan en una estructura ordenada y repetitiva que las convierte en un cristal", dijo Jeremy Daum, estudiante de doctorado de Rice y autor principal de un estudio publicado en ACS Nano. . "Estas estructuras se parecen un poco a la tela metálica:son celosías hexagonales que se repiten en un plano bidimensional y luego se apilan encima de sí mismas, y así es como se obtiene un material 2D en capas".

Alec Ajnsztajn, alumno de doctorado de Rice y otro autor principal del estudio, dijo que la técnica de síntesis hace posible producir COF cristalinos 2D ordenados en un tiempo récord mediante deposición de vapor.

"Muchas veces, cuando se crean COF mediante el procesamiento de una solución, no hay alineación en la película", dijo Ajnsztajn. "Esta técnica de síntesis nos permite controlar la orientación de la lámina, asegurando que los poros estén alineados, que es lo que se desea si se está creando una membrana".

La capacidad de controlar el tamaño de los poros es útil en los separadores, donde los COF podrían servir como membranas para la desalinización y potencialmente ayudar a reemplazar procesos que consumen mucha energía como la destilación. En electrónica, los COF podrían usarse como separadores de baterías y transistores orgánicos.

"Los COF tienen el potencial de ser útiles en una variedad de procesos catalíticos; por ejemplo, se podrían utilizar COF para descomponer el dióxido de carbono en sustancias químicas útiles como etileno y ácido fórmico", dijo Daum.

Uno de los obstáculos que impide que los COF se utilicen más ampliamente es que los métodos de producción que implican el procesamiento de soluciones son más largos y difíciles de adaptar en entornos industriales.

"Puede llevar de tres a cinco días de reacción producir los polvos para las soluciones necesarias para generar COF", dijo Ajnsztajn. "Nuestro método es mucho más rápido. Después de meses de optimización, logramos producir películas de alta calidad en sólo 20 minutos o menos."

Para asegurarse de que sus películas exhibieran la estructura molecular correcta, Daum y Ajnsztajn fueron al Laboratorio Nacional de Argonne, donde analizaron sus muestras utilizando la Fuente Avanzada de Fotones, trabajando continuamente en turnos durante 71 horas.

"Sabíamos que era el momento de empezar, pero estábamos muy contentos con los resultados", dijo Daum. "Tuvimos que acudir a un laboratorio nacional porque esta técnica era la única manera de medir la calidad de nuestras películas y asegurarnos de que habíamos tomado las medidas adecuadas para optimizarlas".

Los estudios de microscopía proporcionaron información sobre cómo crecen los cristales de COF y ayudaron a demostrar que se podrían utilizar temperaturas de hasta 340 °C (~644 °F) para sintetizar moléculas orgánicas.

"Mientras trabajábamos en este proyecto, escuchamos a muchas personas que pensaban que calentar moléculas orgánicas a temperaturas tan altas evitaría que ocurrieran las reacciones correctas, pero lo que descubrimos es que la deposición química de vapor es, de hecho, una forma viable. para crear materiales orgánicos", afirmó Ajnsztajn.

Para fabricar los COF, Daum y Ajnsztajn construyeron un reactor ad hoc a partir de piezas desechadas de equipos de laboratorio y otros materiales económicos y fácilmente disponibles.

"Todo este proceso fue algo muy barato de montar", dijo Daum. "Se espera que el establecimiento de un proceso robusto y escalable para producir una variedad de películas de COF permita una mejor aplicación de los COF en catálisis, almacenamiento de energía, membranas y más".

Más información: Jeremy P. Daum et al, Las soluciones son el problema:películas de estructura orgánica covalente bidimensional ordenadas mediante deposición química de vapor, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por la Universidad Rice