Polímeros sintéticos são onipresentes - náilon, poliéster, Teflon e epóxi, para citar apenas alguns - e esses polímeros são todos longos, estruturas lineares que se enredam em estruturas imprecisas. Os químicos há muito sonham em fazer polímeros com estruturas semelhantes a grades, mas essa meta tem se mostrado desafiadora.

Os primeiros exemplos de tais estruturas, agora conhecido como estruturas orgânicas covalentes (COFs), foram descobertos em 2005, mas sua qualidade tem sido ruim e os métodos de preparação não são controlados. Agora, uma equipe de pesquisa da Northwestern University é a primeira a produzir versões de alta qualidade desses materiais, demonstrar suas propriedades superiores e controlar seu crescimento.

Os pesquisadores desenvolveram um processo de crescimento em duas etapas que produz polímeros orgânicos com cristalino, estruturas bidimensionais. A precisão da estrutura do material e o espaço vazio que seus poros hexagonais fornecem permitirão aos cientistas projetar novos materiais com propriedades desejáveis.

Mesmo COFs de baixa qualidade mostraram uma promessa preliminar para purificação de água, armazenando eletricidade, armadura corporal e outros materiais compostos resistentes. Uma vez desenvolvido, amostras de alta qualidade desses materiais permitirão que essas aplicações sejam exploradas de forma mais completa.

"Essas estruturas orgânicas covalentes preenchem uma lacuna de um século na ciência dos polímeros, "disse William Dichtel, um especialista em química orgânica e de polímeros que liderou o estudo. "A maioria dos plásticos são longos, estruturas lineares que se enredam como espaguete. Fizemos polímeros bidimensionais ordenados, onde os blocos de construção são organizados em uma grade perfeita de hexágonos repetidos. Isso nos dá controle preciso da estrutura e de suas propriedades. "

Dichtel é o professor Robert L. Letsinger de Química do Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern.

O estudo, "Crescimento semeado de estruturas orgânicas covalentes bidimensionais de cristal único, "será publicado no dia 21 de junho pela revista Ciência por meio do primeiro lançamento. (O papel aparecerá na impressão em uma data posterior.)

Os COFs 2-D têm poros permanentes e área de superfície extremamente alta. Imagine a área de superfície de um campo de futebol contida em cerca de dois gramas de material, ou dois clipes de papel, Disse Dichtel. Cada pequeno orifício tem o mesmo tamanho e formato e tem exatamente a mesma composição.

No processo de duas etapas, os cientistas primeiro cultivam "sementes" de pequenas partículas às quais adicionam lentamente mais dos blocos de construção, sob condições cuidadosamente controladas. A adição lenta faz com que os blocos de construção sejam adicionados às sementes, em vez de criar novas sementes. O resultado é maior, partículas de alta qualidade compostas por grandes, folhas hexagonais em vez de um monte de cristais agregados.

"Este é principalmente um artigo de síntese, mas também medimos propriedades que surgem apenas nessas amostras de alta qualidade, "Disse Dichtel." Por exemplo, mostramos que a energia pode se mover por toda a estrutura depois de absorver a luz, que pode ser útil na conversão de energia solar. "

Uma vez que os COFs 2-D foram cultivados, os colegas químicos Nathan C. Gianneschi e Lucas R. Parent estudaram cuidadosamente as partículas usando um microscópio eletrônico. Eles confirmaram que as partículas são individuais e não agregadas e são perfeitamente uniformes em toda a estrutura.

Gianneschi é o professor Jacob e Rosaline Cohn no departamento de química do Weinberg College. Ele também é professor nos departamentos de ciência e engenharia de materiais e de engenharia biomédica na McCormick School of Engineering. Parent é um pós-doutorando no grupo de Gianneschi. Ambos são co-autores do artigo.

Próximo, Lin X. Chen e Richard D. Schaller mediram como um dos materiais interage com a luz. Seus estudos mostram que a energia pode se mover através desses materiais por distâncias muito maiores do que os tamanhos disponíveis pelos métodos antigos.

Chen é professor de química, e Schaller é professor assistente de química, ambos em Weinberg. Ambos são co-autores do artigo.

"Este estudo foi muito gratificante - cultivar esses materiais com sucesso e começar a ver sua promessa, "Dichtel, que estuda COFs há uma década. "Achamos que esse desenvolvimento será útil para o campo da ciência dos polímeros."