การแข่งขันใหม่สำหรับกระทรวงการคลัง: นักวิทยาศาสตร์สร้าง COF ที่เข้มแข็งขึ้น

Anonim

โครงสร้างโมเลกุลแบบกลวงที่เรียกว่า COF (กรอบอินทรีย์โควาเลน) ซึ่งสามารถใช้เป็นตัวกรองที่เลือกหรือภาชนะบรรจุสำหรับสารอื่น ๆ และมีศักยภาพในการใช้ประโยชน์อื่น ๆ อีกมากมายและยังมีแนวโน้มที่จะประสบปัญหาโดยธรรมชาตินั่นคือยากที่จะทำให้เครือข่าย COFs เชื่อมต่อกันอย่างรุนแรง สภาพแวดล้อมทางเคมี

เคมีแบบเดิมสำหรับการเชื่อมโยง Building Block เข้ากับแผ่น COF 2-D หรือกรอบโครงสร้าง 3-D COF สามารถย้อนกลับได้ การพลิกกลับนี้ช่วยให้การเชื่อมต่อภายใน COFs อ่อนแอและไม่เสถียรในสภาพแวดล้อมทางเคมีบางอย่างซึ่ง จำกัด การใช้งานจริงของวัสดุ COF เหล่านี้

ขณะนี้ทีมงานจากห้องทดลองแห่งชาติของ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ของ Department of Energy ได้ใช้กระบวนการทางเคมีที่ค้นพบเมื่อหลายสิบปีก่อนเพื่อทำให้ความเชื่อมโยงระหว่าง COF มีความทนทานมากขึ้นและเพื่อให้ COFs มีลักษณะใหม่ที่สามารถขยายการใช้งานได้

"มันเหมือนกับการทอผ้าและวิธีการเชื่อม" Yi Liu นักวิทยาศาสตร์ที่ Berkeley Lab ของ Molecular Foundry กล่าว Liu นำทีมที่ค้นพบวิธีการเสริมการเชื่อมโยงที่อ่อนแอที่สุดของ COFs

วิธีทางเคมีที่ง่าย ๆ นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมีกับบริเวณที่มีการเชื่อมโยงที่อ่อนแอเหล่านี้สร้างความยืดหยุ่นให้กับพันธบัตรซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีสภาพแวดล้อมทางเคมีที่แข็งแรงมากในระหว่างการทดลอง

การค้นพบของทีมมีรายละเอียดในการศึกษารายงานเมื่อวันอังคารที่ผ่านมาในวารสาร Nature Communications ว่ารายละเอียดวิธีการทำงานของเทคนิค

"ที่นี่เราแสดงให้เห็นว่าพันธบัตรเหล่านี้มีความคงตัวเป็นพิเศษสำหรับสารเคมีหลายชนิดเราพยายามหาสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยและยังคงรักษาพันธะเหล่านี้ไว้" Liu กล่าว "สิ่งนี้เต้นได้ทุกอย่างที่รายงานในวรรณคดี"

การเปลี่ยนแปลงทางเคมีเขากล่าวทำให้พันธบัตรระหว่าง COFs เป็นประโยชน์มากขึ้นโดยการเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเลคทรอนิคส์และออปติคอลของพวกเขา (เช่นแสง) "พวกเขาสามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้ง่ายขึ้นหลังการเกิดปฏิกิริยา" เขากล่าวเพื่อให้ชั้น 2 มิติของ COF ที่ยึดติดอย่างแรงเหล่านี้ทำตัวเหมือน graphene ซึ่งเป็นอีกวัสดุที่แปลกใหม่ 2 มิติที่แสดงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และแสงพิเศษ

นาย Xinle Li นักวิจัยระดับปริญญาเอกจาก Molecular Foundry และผู้เขียนนำผลการศึกษากล่าวว่า "เราให้กระบวนการปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1960 ชีวิตใหม่เรานำไปใช้กับ COFs เป็นครั้งแรก"

COFs ได้รับการศึกษาอย่างหนักเนื่องจากสามารถปรับแต่งได้อย่างมากและสามารถประกอบไปด้วยองค์ประกอบที่มีน้ำหนักเบาเช่นคาร์บอนไฮโดรเจนไนโตรเจนและออกซิเจนซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างที่เรียกว่า MOFs (โครงสร้างโลหะ - อินทรีย์) ที่มีองค์ประกอบที่หนักกว่า นักวิทยาศาสตร์สามารถทำ COFs ที่มีขนาดรูพรุนแตกต่างกันซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการทำงานของพวกเขาเปลี่ยนสิ่งที่สามารถผ่านไปได้หรือสิ่งที่สามารถบรรจุอยู่ภายในรูขุมขนเหล่านี้

สิ่งนี้อาจทำให้วัสดุที่มีส่วนผสมของ COF เป็นประโยชน์ในระบบที่กรองสารเคมีที่ไม่พึงประสงค์ออกจากน้ำตัวอย่างเช่นลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลงในรูปแบบอื่น ๆ ที่มีมูลค่าเพิ่มหรือเป็นตัวช่วยที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับกระบวนการทางเคมีชนิดอื่น ๆ

ข้อสำคัญในการศึกษาคือการใช้เทคนิคการถ่ายภาพขั้นสูงเช่นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (HRTEM) ที่ Molecular Foundry เพื่อดูโครงสร้างของ COF ที่ถูกโคไซน์ Liu และ Li กล่าวว่า

นักวิจัยกล่าวว่าภาพที่ได้รับซึ่งแสดงให้เห็นชัดเจนว่าเป็นรังสีของ COF แบบ 2 มิติเป็นภาพที่ดีที่สุดของ COFs ซึ่งยืนยันการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของ COF ที่เหลืออยู่เพียงเศษเสี้ยวของนาโนเมตร (นาโนเมตรเป็น 1 พันล้าน) ของเมตร)

"ก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยาขนาดรูขุมขนเปลี่ยนแปลงไปประมาณ 0.3 นาโนเมตรกล่าวว่า" คุณสามารถเห็นความแตกต่างเหล่านี้ได้ทั้งก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยา "

เพื่อทำการเปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีนักวิจัยได้วาง COF ไว้ในสารละลายของเหลวที่ถูกให้ความร้อนประมาณ 230 องศาฟาเรนไฮต์จากนั้นจึงขยับขึ้น

นักวิจัยกล่าวว่าควรสามารถขยายขนาดของวัสดุที่ใช้วัสดุ COF ได้และทีมงานได้ทดลองใช้แผ่น COF กับชั้นวัสดุอื่นเพื่อปรับแต่งการทำงานของวัสดุที่รวมกันแล้ว

ทีมงานวางแผนที่จะทดสอบวิธีการที่จะทำให้การผลิตวัสดุ COF เหล่านี้ดียิ่งขึ้นและจะหาแนวทางในการทำให้กระบวนการเกิดปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมากขึ้น ทีมจะสำรวจทฤษฎีเพื่อช่วยในการทำความเข้าใจและปรับปรุงเคมี COF-altering

"เราต้องการที่จะทำให้กระบวนการปรับเปลี่ยนสารเคมีนี้เร็วขึ้นและดีขึ้น" หลี่กล่าว "เราหวังว่าเราจะสามารถทำให้สภาวะปฏิกิริยานุ่มนวลและเพิ่มเสถียรภาพทางเคมีและการทำงานของ COF ได้"

ผลงานของทีมงานนี้เป็นหนึ่งในความพยายามที่เผยแพร่ครั้งแรกของโครงการใหม่ที่ Molecular Foundry ซึ่งมุ่งเน้นที่จะพัฒนา "nanoscience แบบผสมผสาน" ซึ่งมุ่งเน้นที่การใช้กระบวนการผลิตที่มีความเร็วสูงร่วมกับทฤษฎีและเทคโนโลยีการถ่ายภาพเพื่อสร้างและศึกษาโครงสร้างนาโนที่เป็นส่วนประกอบ ในวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น

menu
menu