Les scientifiques des matériaux de l’Université Rice ont développé une méthode rapide, peu coûteuse et évolutive pour créer des cadres organiques covalents (COF). Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université de Rice
Des chercheurs de l’Université Rice créent des films à structure organique covalente par dépôt en phase vapeur.
Les scientifiques en matériaux de l’Université Rice ont créé une technique efficace, abordable et évolutive pour produire des cadres organiques covalents (COF). Ces polymères cristallins se distinguent par leur structure moléculaire ajustable, leur vaste surface et leur porosité, ce qui les rend potentiellement précieux dans des domaines tels que les applications énergétiques, les dispositifs semi-conducteurs, les capteurs, les systèmes de filtration et l’administration de médicaments.
« Ce qui rend ces structures si spéciales, c’est qu’elles sont des polymères, mais qu’elles s’organisent selon une structure ordonnée et répétitive qui en fait un cristal », a déclaré Jeremy Daum, doctorant chez Rice et auteur principal d’une étude publiée dans ACS Nano. « Ces structures ressemblent un peu à du grillage : ce sont des réseaux hexagonaux qui se répètent sur un plan bidimensionnel, puis ils s’empilent sur eux-mêmes, et c’est ainsi que vous obtenez un matériau 2D en couches. »
Nouvelle technique de synthèse pour les COF
Alec Ajnsztajn, ancien étudiant au doctorat chez Rice et autre auteur principal de l’étude, a déclaré que la technique de synthèse permet de produire des COF cristallins 2D ordonnés en un temps record en utilisant le dépôt en phase vapeur.
« Souvent, lorsque vous créez des COF via le traitement en solution, il n’y a pas d’alignement sur le film », a déclaré Ajnsztajn. « Cette technique de synthèse nous permet de contrôler l’orientation de la feuille, garantissant ainsi que les pores sont alignés, ce que vous souhaitez si vous créez une membrane. »
Alec Ajnsztajn (à gauche) et Jeremy Daum sont les principaux co-auteurs d’une étude publiée dans ACS Nano. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université de Rice
La capacité de contrôler la taille des pores est utile dans les séparateurs, où les COF pourraient servir de membranes pour le dessalement et potentiellement aider à remplacer des processus énergivores comme la distillation. En électronique, les COF pourraient être utilisés comme séparateurs de batteries et transistors organiques.
« Les COF ont le potentiel d’être utiles dans une variété de processus catalytiques – vous pourriez, par exemple, utiliser les COF pour décomposer le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles comme l’éthylène et le formique. acide« , a déclaré Daum.
Défis et innovations dans la production de COF
L’un des obstacles empêchant une utilisation plus large des COF est que les méthodes de production impliquant le traitement en solution sont plus longues et plus difficiles à adapter en milieu industriel.
« Cela peut prendre trois à cinq jours de temps de réaction pour produire les poudres pour les solutions nécessaires à la génération de COF », a déclaré Ajnsztajn. « Notre méthode est beaucoup plus rapide. Après des mois d’optimisation, nous avons réussi à produire des films de haute qualité en seulement 20 minutes ou moins.
Analyse et validation des films COF
Pour s’assurer que leurs films présentaient la bonne structure moléculaire, Daum et Ajnsztajn se sont rendus au Laboratoire national d’Argonne, où ils ont analysé leurs échantillons à l’aide de la source de photons avancée, travaillant en continu pendant 71 heures.
« Nous savions qu’il était temps de partir, mais nous étions très satisfaits des résultats », a déclaré Daum. « Nous avons dû nous adresser à un laboratoire national car cette technique était le seul moyen de mesurer la qualité de nos films et de garantir que nous avions pris les bonnes mesures pour les optimiser. »
Les COF sont une classe de polymères cristallins dont la structure moléculaire réglable, la grande surface et la porosité pourraient être utiles dans les applications énergétiques, les dispositifs semi-conducteurs, les capteurs, les systèmes de filtration et l’administration de médicaments. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université de Rice
Des études en microscopie ont permis de comprendre comment les cristaux de COF se développent et ont permis de montrer que des températures allant jusqu’à 340 degrés Celsius (~644 Fahrenheit) pourrait être utilisé pour synthétiser des molécules organiques.
« En travaillant sur ce projet, de nombreuses personnes nous ont dit que chauffer des molécules organiques à des températures aussi élevées empêcherait les réactions appropriées de se produire, mais ce que nous avons découvert, c’est que le dépôt chimique en phase vapeur est, en fait, un moyen viable. pour créer des matériaux organiques », a déclaré Ajnsztajn.
Approche DIY à faible coût de la production de COF
Pour fabriquer les COF, Daum et Ajnsztajn ont construit un réacteur ad hoc à partir de pièces d’équipement de laboratoire mises au rebut et d’autres matériaux peu coûteux et facilement disponibles.
« L’ensemble de ce processus était très peu coûteux à assembler », a déclaré Daum. « L’établissement d’un processus robuste et évolutif de production d’une variété de films COF permettra, espérons-le, une meilleure application des COF dans la catalyse, le stockage d’énergie, les membranes, etc. »
Pulickel Ajayan, professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson, professeur et chaire de science des matériaux et de nano-ingénierie et professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire, et Rafael Verduzco, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de science des matériaux et de nano-ingénierie , sont les auteurs correspondants de l’étude.
La recherche a été soutenue par la Welch Foundation (C-2124), la National Science Foundation (2247729, 1842494), le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force et Clarkson Aerospace Corporation (FA9550-21-1-0460), l’US Air Force Research. Laboratoires et UES (S-119-005-003, Numéro d’attribution 116000, Nom du projet G10000097).
