À esquerda está a estrutura molecular 3D simulada de uma estrutura orgânica covalente, e à direita está uma estrutura modificada. As esferas amarelas na estrutura à esquerda indicam um diâmetro de poro de 2,9 nanômetros, e as esferas ciano na estrutura à direita indicam um diâmetro de poro de 2,6 nanômetros. Crédito:Berkeley Lab
Estruturas moleculares ocas conhecidas como COFs (estruturas orgânicas covalentes), que podem servir como filtros seletivos ou recipientes para outras substâncias e ter muitos outros usos potenciais, também tendem a sofrer de um problema inerente:é difícil manter uma rede de COFs conectada em ambientes químicos agressivos.
A química convencional para ligar blocos de construção em folhas COF 2-D ou estruturas COF 3-D é reversível. Esta reversibilidade torna as conexões dentro dos COFs fracas e instáveis em alguns ambientes químicos, limitando as aplicações práticas desses materiais COF.
Agora, uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) usou um processo químico descoberto há décadas para tornar as ligações entre os COFs muito mais robustas, e dar aos COFs novas características que ampliem suas aplicações.
"É como uma abordagem de 'tecelagem' e soldagem, "disse Yi Liu, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab. Liu liderou uma equipe que descobriu como fortalecer os elos mais fracos dos COFs.
Esta abordagem química simples visa uma reação química na área desses elos fracos, formando ligações resilientes que comprovadamente resistem - como uma solda forte - a ambientes químicos agressivos durante os experimentos.
As descobertas da equipe são detalhadas em um estudo, relatado terça-feira no jornal Nature Communications , que detalha como a técnica funciona.
Essas imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, produzido na Fundição Molecular do Berkeley Lab, mostram uma folha de estruturas orgânicas covalentes (COFs) em nanoescala (linha superior), e uma folha de COFs quimicamente modificados (linha inferior). Crédito:Berkeley Lab
"Aqui, mostramos que essas ligações são excepcionalmente estáveis a uma variedade de produtos químicos. Tentamos condições adversas e ainda mantém essas ligações, "Liu disse." Isso supera tudo relatado na literatura. "
A transformação química, ele notou, torna as ligações entre COFs mais úteis, alterando suas propriedades eletrônicas e ópticas (baseadas na luz), por exemplo. "Eles podem transferir elétrons mais facilmente após a reação, " ele disse, de modo que as camadas 2-D desses COFs fortemente ligados se comportam mais como grafeno, outro material 2-D exótico que exibe propriedades eletrônicas e ópticas especiais.
Xinle Li, um pós-doutorado na Molecular Foundry e principal autor do estudo, disse, "Nós demos esse processo de reação, relatado pela primeira vez na década de 1960, uma nova vida. Nós o aplicamos aos COFs pela primeira vez. "
COFs têm sido amplamente estudados porque são altamente sintonizáveis e podem ser compostos inteiramente de elementos leves como o carbono, hidrogênio, azoto, e oxigênio - ao contrário de estruturas conhecidas como MOFs (estruturas metal-orgânicas) que contêm elementos mais pesados. Os cientistas podem fazer COFs com diferentes tamanhos de poros que podem afetar sua função, mudando o que pode passar por eles ou o que pode estar contido nesses poros.
Isso pode tornar os materiais baseados em COF úteis em sistemas que filtram produtos químicos indesejados da água, por exemplo, reduzir o dióxido de carbono em outras formas químicas de valor agregado, ou servir como facilitadores altamente eficientes para outros tipos de processos químicos.
Um aspecto importante do estudo foi o uso de técnicas avançadas de imagem, como microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) na Molecular Foundry para ver a estrutura dos COFs ligados, Liu e Li disseram.
Essas imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, produzido na Fundição Molecular do Berkeley Lab, mostram uma folha de estruturas orgânicas covalentes (COFs) em nanoescala (linha superior), e uma folha de COFs quimicamente modificados (linha inferior). Crédito:Berkeley Lab
Os pesquisadores disseram que as imagens obtidas, que mostram claramente a estrutura semelhante a um favo de mel de COFs 2-D, estão entre as melhores imagens até agora de COFs, confirmando as mudanças químicas nos COFs até uma fração de nanômetro (um nanômetro equivale a 1 bilionésimo de um metro).
"Antes e depois da reação, o tamanho dos poros muda em cerca de 0,3 nanômetro, Disse Liu. "Você pode ver essas diferenças antes e depois da reação."
Para realizar a reação de modificação química, os pesquisadores colocaram os COFs em uma solução líquida que foi aquecida a cerca de 230 graus Fahrenheit, e então mexeu com isso.
Os pesquisadores disseram que deveria ser possível aumentar a quantidade de materiais baseados em COF, e a equipe já experimentou o uso de folhas COF com outras camadas de materiais para personalizar a função do material combinado.
A equipe planeja testar como automatizar melhor a produção desses materiais COF, e também buscará maneiras de tornar o processo de reação mais eficiente. A equipe explorará teorias para ajudar a compreender e melhorar a química de alteração do COF.
"Queremos tornar este processo de modificação química ainda mais rápido e melhor, "Disse Li." Esperamos poder tornar as condições de reação mais amenas, e aumentar ainda mais a estabilidade química e a funcionalidade dos COFs. "
O trabalho da equipe é um dos primeiros esforços publicados de um novo programa na Fundição Molecular com o objetivo de fazer avançar a "nanociência combinatória" com foco no uso de processos de alto rendimento, em combinação com a teoria e tecnologia de imagem, para criar e estudar nanoestruturas que são componentes de novos materiais com propriedades aprimoradas.
