Structures moléculaires creuses appelées COF (covalent organic frameworks), qui pourraient servir de filtres ou de conteneurs sélectifs pour d'autres substances et avoir de nombreuses autres utilisations potentielles, ont également tendance à souffrir d'un problème inhérent :il est difficile de maintenir un réseau de COF connecté dans des environnements chimiques difficiles.

La chimie conventionnelle pour lier des blocs de construction dans des feuilles COF 2D ou des cadres COF 3D est réversible. Cette réversibilité rend les connexions au sein des COF faibles et instables dans certains environnements chimiques, limitant les applications pratiques de ces matériaux COF.

Maintenant, une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a utilisé un processus chimique découvert il y a des décennies pour rendre les liens entre les COF beaucoup plus solides, et de donner aux COF de nouvelles caractéristiques qui pourraient étendre leurs applications.

"C'est comme une approche 'tissage' et soudure, " dit Yi Liu, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. Liu a dirigé une équipe qui a découvert comment renforcer les maillons les plus faibles liant les COF.

Cette approche chimique simple cible une réaction chimique dans la zone de ces maillons faibles, former des liaisons résilientes qui se sont avérées résister, comme une soudure solide, aux environnements chimiques difficiles au cours des expériences.

Les conclusions de l'équipe sont détaillées dans une étude, rapporté mardi dans le journal Communication Nature , qui détaille le fonctionnement de la technique.

"Ici, nous montrons que ces liaisons sont exceptionnellement stables à une variété de produits chimiques. Nous avons essayé des conditions difficiles et cela maintient toujours ces liaisons, " a déclaré Liu. " Cela bat tout ce qui est rapporté dans la littérature. "

La transformation chimique, il a noté, rend les liaisons entre les COF plus utiles en modifiant leurs propriétés électroniques et optiques (à base de lumière), par exemple. "Ils peuvent transférer des électrons plus facilement après la réaction, " il a dit, de sorte que les couches 2-D de ces COF fortement liés se comportent davantage comme du graphène, un autre matériau 2-D exotique qui présente des propriétés électroniques et optiques spéciales.

Xinlé Li, stagiaire postdoctoral à la Molecular Foundry et auteur principal de l'étude, mentionné, "Nous avons donné ce processus de réaction, signalé pour la première fois dans les années 1960, une nouvelle vie. Nous l'avons appliqué aux COF pour la première fois."

Les COF ont été fortement étudiés car ils sont hautement accordables et peuvent être composés entièrement d'éléments légers comme le carbone, hydrogène, azote, et l'oxygène, contrairement aux structures connues sous le nom de MOF (structures métal-organiques) qui contiennent des éléments plus lourds. Les scientifiques peuvent fabriquer des COF avec différentes tailles de pores qui peuvent avoir un impact sur leur fonction, changer ce qui peut les traverser ou ce qui peut être contenu dans ces pores.

Cela pourrait rendre les matériaux à base de COF utiles dans les systèmes qui filtrent les produits chimiques indésirables de l'eau, par exemple, réduire le dioxyde de carbone en d'autres formes chimiques à valeur ajoutée, ou servir de facilitateurs très efficaces pour d'autres types de processus chimiques.

Un aspect important de l'étude était l'utilisation de techniques d'imagerie avancées, comme la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) à la fonderie moléculaire pour voir la structure des COF liés, Liu et Li ont dit.

Les chercheurs ont déclaré que les images obtenues, qui montrent clairement le réseau en nid d'abeille des COF 2-D, sont parmi les meilleures images de COF à ce jour, confirmant les changements chimiques dans les COF jusqu'à une fraction de nanomètre (un nanomètre équivaut à 1 milliardième de mètre).

"Avant et après la réaction, la taille des pores change d'environ 0,3 nanomètre, dit Liu. "Vous pouvez voir ces différences avant et après la réaction."

Pour réaliser la réaction de modification chimique, les chercheurs ont placé les COF dans une solution liquide chauffée à environ 230 degrés Fahrenheit, puis l'a remué.

Les chercheurs ont déclaré qu'il devrait être possible d'augmenter la quantité de matériaux à base de COF, et l'équipe a déjà expérimenté l'utilisation de feuilles COF avec d'autres couches de matériaux pour personnaliser la fonction du matériau combiné.

L'équipe prévoit de tester comment mieux automatiser la production de ces matériaux COF, et cherchera également des moyens de rendre le processus de réaction plus efficace. L'équipe explorera des théories pour aider à comprendre et à améliorer la chimie modifiant le COF.

"Nous voulons rendre ce processus de modification chimique encore plus rapide et meilleur, " a dit Li. " Nous espérons que nous pourrons rendre les conditions de réaction plus douces, et augmenter encore la stabilité chimique et la fonctionnalité des COF."

Le travail de l'équipe est l'un des premiers efforts publiés d'un nouveau programme à la Molecular Foundry visant à faire progresser la « nanoscience combinatoire » qui se concentre sur l'utilisation de processus à haut débit, en combinaison avec la théorie et la technologie d'imagerie, pour créer et étudier des nanostructures qui sont des composants de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées.