Os cientistas de materiais da Rice University desenvolveram um método rápido, de baixo custo e escalável para produzir estruturas orgânicas covalentes (COFs), uma classe de polímeros cristalinos cuja estrutura molecular ajustável, grande área superficial e porosidade podem ser úteis em aplicações de energia, dispositivos semicondutores, sensores, sistemas de filtração e distribuição de medicamentos.



"O que torna essas estruturas tão especiais é que elas são polímeros, mas se organizam em uma estrutura ordenada e repetitiva que as torna um cristal", disse Jeremy Daum, estudante de doutorado em Rice e principal autor de um estudo publicado na ACS Nano. . "Essas estruturas parecem um pouco com tela de galinheiro - são redes hexagonais que se repetem em um plano bidimensional e depois se empilham sobre si mesmas, e é assim que você obtém um material 2D em camadas."

Alec Ajnsztajn, ex-aluno de doutorado da Rice e outro autor principal do estudo, disse que a técnica de síntese torna possível produzir COFs cristalinos 2D ordenados em tempo recorde usando deposição de vapor.

“Muitas vezes, quando você faz COFs por meio do processamento da solução, não há alinhamento no filme”, disse Ajnsztajn. “Essa técnica de síntese nos permite controlar a orientação da folha, garantindo que os poros estejam alinhados, que é o que você deseja se estiver criando uma membrana”.

A capacidade de controlar o tamanho dos poros é útil em separadores, onde os COFs poderiam servir como membranas para dessalinização e potencialmente ajudar a substituir processos que consomem muita energia, como a destilação. Na eletrônica, os COFs poderiam ser usados ​​como separadores de baterias e transistores orgânicos.

"Os COFs têm potencial para serem úteis em uma variedade de processos catalíticos - você pode, por exemplo, usar COFs para decompor o dióxido de carbono em produtos químicos úteis como etileno e ácido fórmico", disse Daum.

Um dos obstáculos que impedem a utilização mais ampla dos COF é que os métodos de produção que envolvem o processamento de soluções são mais demorados e mais difíceis de acomodar em ambientes industriais.

“Pode levar de três a cinco dias de reação para produzir os pós para as soluções necessárias para gerar COFs”, disse Ajnsztajn. "Nosso método é muito mais rápido. Após meses de otimização, conseguimos produzir filmes de alta qualidade em apenas 20 minutos ou menos."

Para garantir que os seus filmes exibiam a estrutura molecular correta, Daum e Ajnsztajn foram ao Laboratório Nacional de Argonne, onde analisaram as suas amostras utilizando a Fonte Avançada de Fótons, trabalhando continuamente em turnos durante 71 horas.

“Sabíamos que era hora de começar, mas ficamos muito felizes com os resultados”, disse Daum. “Tivemos que recorrer a um laboratório nacional porque esta técnica era a única forma de medir a qualidade dos nossos filmes e garantir que havíamos tomado as medidas corretas para otimizá-los.”

Estudos de microscopia forneceram informações sobre como os cristais de COF crescem e ajudaram a mostrar que temperaturas de até 340°C (~644°F) poderiam ser usadas para sintetizar moléculas orgânicas.

"Enquanto trabalhávamos neste projeto, ouvimos muitas pessoas que pensavam que o aquecimento de moléculas orgânicas a temperaturas tão altas impediria a ocorrência das reações corretas, mas o que descobrimos é que a deposição química de vapor é, de fato, uma forma viável para criar materiais orgânicos", disse Ajnsztajn.

Para fazer os COFs, Daum e Ajnsztajn construíram um reator ad-hoc com peças descartadas de equipamentos de laboratório e outros materiais baratos e prontamente disponíveis.

“Todo esse processo foi muito barato de montar”, disse Daum. "Estabelecer um processo robusto e escalonável de produção de uma variedade de filmes COF permitirá, esperançosamente, uma melhor aplicação de COFs em catálise, armazenamento de energia, membranas e muito mais."

Mais informações: Jeremy P. Daum et al, As soluções são o problema:filmes de estrutura orgânica covalente bidimensional ordenados por deposição química de vapor, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Rice University