Les polymères synthétiques sont omniprésents :le nylon, polyester, Téflon et époxy, pour n'en citer que quelques-uns, et ces polymères sont tous longs, structures linéaires qui s'emmêlent dans des structures imprécises. Les chimistes ont longtemps rêvé de fabriquer des polymères à deux dimensions, structures en forme de grille, mais cet objectif s'est avéré difficile.

Les premiers exemples de telles structures, maintenant connu sous le nom de cadres organiques covalents (COF), ont été découverts en 2005, mais leur qualité est médiocre et les méthodes de préparation sont incontrôlées. Aujourd'hui, une équipe de recherche de la Northwestern University est la première à produire des versions de haute qualité de ces matériaux, démontrer leurs propriétés supérieures et contrôler leur croissance.

Les chercheurs ont développé un processus de croissance en deux étapes qui produit des polymères organiques avec des structures bidimensionnelles. La précision de la structure du matériau et l'espace vide qu'offrent ses pores hexagonaux permettront aux scientifiques de concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés souhaitables.

Même les COF de faible qualité se sont révélés prometteurs pour la purification de l'eau, stocker l'électricité, gilets pare-balles et autres matériaux composites résistants. Une fois développé, des échantillons de meilleure qualité de ces matériaux permettront d'explorer plus à fond ces applications.

"Ces cadres organiques covalents comblent une lacune d'un siècle dans la science des polymères, " dit Guillaume Dichtel, un expert en chimie organique et polymère qui a dirigé l'étude. "La plupart des plastiques sont longs, structures linéaires qui s'emmêlent comme des spaghettis. Nous avons fabriqué des polymères bidimensionnels ordonnés où les blocs de construction sont disposés dans une grille parfaite d'hexagones répétés. Cela nous donne un contrôle précis de la structure et de ses propriétés. »

Dichtel est professeur de chimie Robert L. Letsinger au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.

L'étude, "Croissance ensemencée de cadres organiques covalents bidimensionnels monocristallins, " sera publié le 21 juin par la revue Science via la première version. (Le document paraîtra sous forme imprimée à une date ultérieure.)

Les COF 2-D ont des pores permanents et une surface extrêmement élevée. Imaginez la surface d'un terrain de football contenue dans environ deux grammes de matériau, ou deux trombones, dit Dichtel. Chaque petit trou a la même taille et la même forme et a exactement la même composition.

Dans le processus en deux étapes, les scientifiques cultivent d'abord de petites "graines" de particules auxquelles ils ajoutent lentement plus de blocs de construction, dans des conditions soigneusement contrôlées. L'ajout lent fait que les blocs de construction s'ajoutent aux graines au lieu de créer de nouvelles graines. Le résultat est plus grand, particules de haute qualité composées de gros, feuilles hexagonales au lieu d'un tas de cristaux agrégés.

« Il s'agit avant tout d'un document de synthèse, mais nous avons également mesuré des propriétés qui n'apparaissent que dans ces échantillons de haute qualité, " dit Dichtel. "Par exemple, nous montrons que l'énergie peut se déplacer dans toute la structure après avoir absorbé la lumière, ce qui peut être utile dans la conversion de l'énergie solaire."

Une fois les COF 2-D cultivés, les collègues chimistes Nathan C. Gianneschi et Lucas R. Parent ont soigneusement étudié les particules à l'aide d'un microscope électronique. Ils ont confirmé que les particules sont individuelles et non agrégées et sont parfaitement uniformes dans toute la structure.

Gianneschi est professeur Jacob et Rosaline Cohn au département de chimie du Weinberg College. Il est également professeur aux départements de science et génie des matériaux et de génie biomédical à la McCormick School of Engineering. Parent est stagiaire postdoctoral dans le groupe de Gianneschi. Tous deux sont co-auteurs de l'article.

Prochain, Lin X. Chen et Richard D. Schaller ont mesuré comment l'un des matériaux interagit avec la lumière. Leurs études montrent que l'énergie peut se déplacer à travers ces matériaux sur des distances beaucoup plus longues que les tailles disponibles par les anciennes méthodes.

Chen est professeur de chimie, et Schaller est professeur adjoint de chimie, tous deux à Weinberg. Tous deux sont co-auteurs de l'article.

« Cette étude a été très gratifiante :développer avec succès ces matériaux et commencer à voir leur promesse, " Dichtel, qui étudie les COF depuis une décennie. "Nous pensons que ce développement sera favorable au domaine de la science des polymères."