Lorsque des chimistes ou des ingénieurs veulent fabriquer un nouveau type de matériau, ils se dirigent vers le laboratoire et commencent à « cuisiner ». Tout comme essayer d'améliorer une recette de nourriture, le processus implique d'essayer de nouveaux ingrédients chimiques ou d'ajuster les temps et les températures de cuisson. Mais et si au lieu de s'appuyer sur un processus chronophage sans garantie de succès, les scientifiques pourraient-ils simplement « casser » différents « morceaux » chimiques ensemble pour créer quelque chose de nouveau ?

Dans une étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society , une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, Université du Nebraska-Lincoln (UNL), École des mines du Colorado, et l'Institut de technologie de Harbin, en Chine, décrit une nouvelle approche pour synthétiser des « Legos » organiques qui peuvent être facilement connectés pour créer de nouveaux matériaux. Ce cadre crée des structures légères, poreux, et rapide à synthétiser et facilement modifiable pour créer de nouveaux matériaux aux propriétés uniques.

L'étude se concentre sur une structure relativement nouvelle connue sous le nom de cadres organiques covalents, ou COF. Les COF sont des solides organiques 2D et 3D maintenus ensemble par de solides, des liaisons covalentes. Les COF ont des structures cristallines constituées d'éléments légers comme le carbone, azote, et de l'oxygène, ce qui les rend légers et durables. Comme des pièces Lego individuelles, Les blocs de construction chimiques individuels peuvent être assemblés de manière définie pour former une structure plus grande qui peut être planifiée en détail au lieu de mettre des composants dans un mélange et de voir ce qui en sort.

Les blocs de construction spécifiques utilisés dans cette étude sont connus sous le nom de porphyrines, une famille de structures organiques présentes dans les protéines comme l'hémoglobine et la chlorophylle. Ces structures comprennent un atome de métal en leur centre, et les chercheurs aimeraient utiliser cet atome réactif pour créer des matériaux COF aux propriétés améliorées. Mais malgré le grand nombre d'applications potentielles, allant du stockage de l'hydrogène au captage du carbone, ces types de COF ont des limites pratiques. Faire des COF est un processus lent, et la création d'un gramme de matière peut prendre plusieurs jours. Les méthodes existantes ne permettent également de fabriquer du COF que sous forme de poudre, ce qui les rend beaucoup plus difficiles à traiter ou à transférer sur d'autres matériaux.

Avec l'équipe de l'UNL grâce à son expertise en électropolymérisation, un procédé de contrôle de la synthèse de polymère sur un substrat conducteur d'électricité, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient utiliser l'électricité pour créer des films minces de COF. Le matériau résultant, Feuilles 2D empilées en plusieurs couches, est léger et tolérant à la chaleur et prend des heures à synthétiser au lieu de jours. "Cette méthode est rapide, simple et pas cher, et vous permettez le dépôt d'un film mince sur une variété de substrats conducteurs, " dit Elham Tavakoli, qui a dirigé l'étude avec un autre étudiant diplômé de l'UNL Shayan Kaviani sous la supervision du professeur assistant Siamak Nejati. « Par cette approche, nous pouvons éviter les défis communs avec la synthèse COF grâce à la méthode solvothermique conventionnelle."

Après avoir étudié plus en détail la structure des COF déposés, cependant, les chercheurs ont trouvé quelque chose qu'ils ne pouvaient pas expliquer :les distances intercalaires, ou à quelle distance les feuilles 2D étaient les unes des autres, étaient beaucoup plus grands que prévu. Les expérimentateurs se sont ensuite tournés vers les chimistes théoriciens de Penn pour déterminer ce qui se passait.

Après avoir essayé de créer un modèle théorique qui décrirait avec précision la structure du COF, Le postdoctorant Penn Arvin Kakekhani s'est rendu compte que quelque chose devait manquer à leur modèle. Kakekhani a étudié la liste de tous les produits chimiques utilisés dans le processus de synthèse du COF pour voir si l'un des additifs pouvait expliquer leurs résultats inattendus. Les chercheurs ont été surpris de découvrir qu'une molécule "spectatrice", un qui, selon eux, ne fournissait que l'environnement électrochimique nécessaire pour que la réaction se produise, était un élément essentiel de la structure du COF.

L'idée qu'une molécule comme la pyridine, une petite molécule organique avec une structure cyclique simple, peut aider à former des cristaux n'est pas un nouveau concept en chimie, mais cela n'était pas considéré comme important pour la structure du COF avant cette étude. Maintenant, les chercheurs comprennent mieux comment ce spectateur s'intègre parfaitement dans les couches 2D et fournit le support nécessaire aux COF pour former une structure cristalline. "Ces plus petites molécules de pyridine entrent en fait dans le matériau et font partie du cristal, " dit Kakekhani.

Cette nouvelle approche est désormais un point de départ pour créer de nombreux types de matériaux. En changeant les conditions de réaction et les types de blocs de construction COF utilisés et en remplaçant la pyridine par une autre petite molécule, les possibilités de créer de nouveaux matériaux aux propriétés uniques sont infinies. "Les COF ne sont pas si vieux, donc ils ont beaucoup de points non découverts, " dit Tavakoli. " J'ai hâte de découvrir plus de ces mythes dans ce domaine. "

À court terme, les chercheurs espèrent affiner les propriétés catalytiques des COF synthétisés et développer des catalyseurs isolés sur site, substances qui augmentent la vitesse d'une réaction chimique et qui sont des composants essentiels des processus industriels. "Notre COF actuel a une réactivité chimique, mais cela peut être considérablement augmenté par de petites modifications, " dit Andrew M. Rappe, Blanchard Professeur de chimie à la Penn's School of Arts and Sciences. "Notre équipe peut prendre une plate-forme et fabriquer de nombreux matériaux avec des fonctionnalités différentes, le tout basé sur le travail rapporté ici."

« Nous prévoyons que la plate-forme développée nous permettra de concevoir et de réaliser de nombreuses interfaces fonctionnelles non encore explorées. Un large éventail d'applications, telles qu'une séparation à haute sélectivité et une catalyse efficace, peut être envisagé pour ces systèmes, " dit Nejati.

Kakekhani souligne que le travail montre également l'importance d'avoir des théoriciens et des expérimentateurs travaillant en étroite collaboration. "Il ne s'agissait pas seulement d'avoir quelque chose qui correspond à leurs données, " il dit, "mais à propos de générer des informations qui peuvent améliorer ces matériaux. Il faut être deux pour danser, et si nous trouvons un moyen d'utiliser la perspicacité de l'autre, il y a de la place pour découvrir de nouvelles choses."