Cientistas do Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) em TU Dresden conseguiram sintetizar polímeros 2-D semelhantes a folhas por um processo ascendente pela primeira vez. Uma nova rota de reação sintética foi desenvolvida para este propósito. Os polímeros 2-D consistem em apenas algumas camadas atômicas simples e, devido às suas propriedades muito especiais, são um material promissor para uso em componentes eletrônicos e sistemas de uma nova geração. O resultado da pesquisa é um trabalho colaborativo de vários grupos da TU Dresden e da Universidade de Ulm e foi publicado esta semana em dois artigos relacionados em revistas científicas Química da Natureza e Nature Communications .

Desde que Hermann Staudinger descobriu os polímeros lineares em 1920, tem sido um sonho dos cientistas sintéticos estender a polimerização para a segunda dimensão. Um polímero bidimensional (2-D) é uma macromolécula monomolecular semelhante a uma folha que consiste em unidades de repetição conectadas lateralmente com grupos terminais ao longo de todas as bordas. Dada a enorme diversidade química e estrutural dos blocos de construção (ou seja, monômeros), Os polímeros 2-D são uma grande promessa no design de material racional adaptado para aplicações de próxima geração, como separação por membrana, eletrônicos, dispositivos ópticos, armazenamento e conversão de energia, etc. No entanto, apesar dos enormes desenvolvimentos na química sintética ao longo do século passado, a síntese de baixo para cima de polímeros 2-D com estruturas definidas permanece uma tarefa formidável.

Desde 2014, um grupo de cientistas da Technische Universität Dresden e da Universität Ulm uniram forças para perseguir esse objetivo intrigante, porém desafiador. A equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) desenvolveu de forma inovadora uma nova rota sintética:usando a monocamada de surfactante como um modelo suave para guiar a organização supramolecular de monômeros e a subsequente polimerização 2-D em uma interface ar-água. Esta metodologia sintética é agora denominada como síntese interfacial surfactante-monocamada-assistente (SMAIS). Usando o método SMAIS, Dr. Tao Zhang sintetizou filmes de polianilina quasi-2-D cristalinos com tamanho lateral de ~ 50 cm ² e espessura ajustável (2,6-30 nm).

As propriedades superiores de transporte de carga e quimiosistividade em relação à amônia e compostos orgânicos voláteis tornam os filmes de polianilina quasi-2-D como materiais eletroativos promissores para eletrônicos orgânicos de filme fino. Para explorar ainda mais o potencial do SMAIS, Sr. Kejun Liu, Dr. Tao Zhang, O Dr. Zhikun Zheng e o Dr. Renhao Dong alcançaram a síntese controlada de poliimida e poliamida 2-D altamente cristalina de poucas camadas pela primeira vez. Os polímeros 2-D têm uma espessura de apenas alguns nanômetros e podem ser facilmente transferidos para substratos arbitrários, abrindo uma oportunidade empolgante para a integração de polímeros 2-D em dispositivos e sistemas de próxima geração.

Junto com os desenvolvimentos fundamentais na frente de síntese, o grupo de microscopia eletrônica de transmissão liderado pelo Prof. Dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) forneceu outro pilar indispensável da pesquisa conjunta. Desde o desenvolvimento da correção de aberração, a imagem TEM de alta resolução tem sido uma técnica poderosa na caracterização estrutural até a escala atômica. Ainda, materiais orgânicos contendo hidrogênio são extremamente propensos à desintegração estrutural sob o feixe de elétrons, tornando a imagem HRTEM de polímeros 2-D uma missão altamente exigente. Ao utilizar o HRTEM com correção de aberração esférica, Dr. Haoyuan Qi desvendou com sucesso a micromorfologia, estruturas moleculares, limite de grão e estruturas de borda, dos polímeros 2-D sintéticos:uma conquista raramente relatada na literatura.

As estruturas moleculares e a cristalinidade geral foram elucidadas por meio de espalhamento de raios-X de incidência de pastagem síncrotron (cadeira cfaed para dispositivos orgânicos, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresden). O grupo do Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) forneceu cálculos de vinculação rígida funcional de densidade que oferece uma visão significativa das estruturas atomísticas dos polímeros 2-D sintéticos.