Quando químicos ou engenheiros querem fazer um novo tipo de material, eles vão para o laboratório e começam a "cozinhar". Bem como tentar melhorar uma receita de comida, o processo envolve experimentar novos ingredientes químicos ou ajustar tempos e temperaturas de cozimento. Mas e se, em vez de depender de um processo demorado sem garantias de sucesso, os cientistas poderiam simplesmente "encaixar" diferentes "peças" químicas para fazer algo novo?

Em um estudo publicado no Jornal da American Chemical Society , uma equipe de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, Universidade de Nebraska-Lincoln (UNL), Escola de Minas do Colorado, e Harbin Institute of Technology, na China, descreve uma nova abordagem para sintetizar "Legos" orgânicos que podem ser facilmente conectados para fazer novos materiais. Esta estrutura cria estruturas que são leves, poroso, e rápido para sintetizar e facilmente modificado para criar novos materiais com propriedades exclusivas.

O estudo se concentra em uma estrutura relativamente nova conhecida como estruturas orgânicas covalentes, ou COFs. COFs são sólidos orgânicos 2-D e 3-D mantidos juntos com fortes, ligações covalentes. COFs têm estruturas cristalinas feitas de elementos leves como carbono, azoto, e oxigênio, tornando-os leves e duráveis. Como peças individuais de Lego, blocos de construção químicos individuais podem ser montados de maneiras definidas para formar uma estrutura maior que pode ser planejada em grande detalhe, em vez de colocar componentes em uma mistura e ver o que sai.

Os blocos de construção específicos usados ​​neste estudo são conhecidos como porfirinas, uma família de estruturas orgânicas encontradas em proteínas como hemoglobina e clorofila. Essas estruturas incluem um átomo de metal em seu centro, e os pesquisadores gostariam de usar este átomo reativo para criar materiais COF com propriedades aprimoradas. Mas, apesar do grande número de aplicações potenciais, variando de armazenamento de hidrogênio a captura de carbono, esses tipos de COFs têm limitações práticas. Fazer COFs é um processo lento, e pode levar vários dias apenas para criar um grama de material. Os métodos existentes também são capazes de fazer COF na forma de pó, tornando-os muito mais difíceis de processar ou transferir para outros materiais.

Com a equipe da UNL usando sua experiência em eletropolimerização, um método para controlar a síntese de polímero em um substrato que conduz eletricidade, os pesquisadores descobriram que poderiam usar eletricidade para criar filmes finos de COFs. O material resultante, Folhas 2-D empilhadas em várias camadas, é leve e tolerante ao calor e leva horas para ser sintetizado em vez de dias. "Este método é rápido, simples e barato, e você permite a deposição de uma película fina em uma variedade de substratos condutores, "diz Elham Tavakoli, que liderou o estudo junto com seu colega estudante de graduação da UNL Shayan Kaviani sob a supervisão do professor assistente Siamak Nejati. "Por meio dessa abordagem, podemos evitar os desafios comuns com a síntese COF através do método solvotérmico convencional. "

Depois de estudar a estrutura dos COFs depositados em mais detalhes, Contudo, os pesquisadores descobriram algo que não podiam explicar:as distâncias entre camadas, ou a que distância as folhas 2-D estavam umas das outras, eram muito maiores do que o esperado. Os experimentalistas então se voltaram para químicos teóricos na Penn para determinar o que estava acontecendo.

Depois de tentar criar um modelo teórico que descreveria com precisão a estrutura do COF, O pós-doutorado de Penn, Arvin Kakekhani, percebeu que algo deve estar faltando em seu modelo. Kakekhani estudou a lista de todos os produtos químicos usados ​​no processo de síntese do COF para ver se algum dos aditivos poderia explicar seus resultados inesperados. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que uma molécula "espectadora", um que eles pensavam que fornecia apenas o ambiente eletroquímico necessário para que a reação ocorresse, era um componente essencial da estrutura do COF.

A ideia de que uma molécula como a piridina, uma pequena molécula orgânica com uma estrutura de anel simples, pode ajudar os cristais a se formarem não é um conceito novo em química, mas não era considerado importante para a estrutura do COF antes deste estudo. Agora, os pesquisadores têm um melhor entendimento de como esse espectador se encaixa perfeitamente nas camadas 2-D e fornece o suporte necessário para que os COFs formem uma estrutura cristalina. "Essas moléculas menores de piridina realmente entram no material e se tornam parte do cristal, "diz Kakekhani.

Esta nova abordagem é agora um ponto de partida para a criação de vários tipos de materiais. Alterando as condições de reação e os tipos de blocos de construção COF usados ​​e substituindo a piridina por outra molécula pequena, as oportunidades para criar novos materiais com propriedades únicas são infinitas. "COFs não são tão antigos, então eles têm muitos pontos desconhecidos, "disse Tavakoli." Estou ansioso para descobrir mais desses mitos neste campo. "

No curto prazo, os pesquisadores esperam ajustar as propriedades catalíticas dos COFs sintetizados e desenvolver catalisadores isolados no local, substâncias que aumentam a taxa de uma reação química que são componentes essenciais dos processos industriais. "Nosso COF atual tem reatividade química, mas isso pode ser bastante intensificado por meio de pequenas modificações, "diz Andrew M. Rappe, Blanchard Professor de Química na Escola de Artes e Ciências da Penn. “Nossa equipe pode pegar uma plataforma e fazer muitos materiais com diferentes funcionalidades, tudo baseado no trabalho relatado aqui. "

“Prevemos que a plataforma desenvolvida nos permitirá projetar e realizar muitas interfaces funcionais ainda não exploradas. Uma ampla gama de aplicações, tais como separação de alta seletividade e catálise eficiente, pode ser previsto para esses sistemas, "diz Nejati.

Kakekhani enfatiza que o trabalho também mostra a importância de ter teóricos e experimentalistas trabalhando em estreita colaboração. "Não se tratava apenas de ter algo que coincidisse com seus dados, " ele diz, "mas sobre como gerar alguns insights que podem tornar esses materiais melhores. São necessários dois para dançar o tango, e se encontrarmos uma maneira de usar as percepções uns dos outros, há espaço para descobrir coisas novas. "