دانشمندان در به تصویر کشیدن مونتاژ پویا از قاب های آلی کووالانسی دو لایه در محلول ، پیشرفت خوبی داشته اند.
این کشف در را برای کنترل بهتر نحوه جمع آوری این مواد فوق العاده نازک باز می کند ، و در نتیجه مکانهای فوق العاده ای از بازیکن Moiré-Key در زمینه رشد Twistronics ایجاد می شود.
به تصویر کشیدن مونتاژ پویا از COF های دو لایه
شیمی دانان دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) با موفقیت تصاویر زمان واقعی از قاب های ارگانیک کووالانسی دو لایه (COF) را که در محلول تشکیل شده اند ، ضبط کرده اند. این دستیابی به موفقیت ، چراغ جدیدی را در نحوه چیدمان این لایه ها و نحوه ظاهر شدن superlatsices moiré ایجاد می کند. Superlatics Moiré بخشی از زمینه در حال رشد Twistronics است ، جایی که یک لایه اتمی در حال چرخش نسبت به دیگری می تواند خواص الکترونیکی جدیدی ایجاد کند. در این حالت ، الکترون ها دیگر به عنوان ذرات مستقل رفتار نمی کنند و در عوض با یکدیگر در تعامل هستند ، به طور بالقوه منجر به اشکال منحصر به فرد ابررسانا یا مغناطیس می شوند.
در حالی که فوق العاده های Moiré در مواد معدنی مشاهده می شوند ، اما در کریستال های کاملاً ارگانیک بسیار بیشتر هستند. این امر به این دلیل است که مدل های Moiré به موادی نیاز دارند که هر دو خاصیت فوق العاده کریستالی و بسیار کریستالی هستند که دستیابی به مواد آلی با استفاده از تکنیک های تصویری معمولی دشوار است.
درک روند مرتب سازی در COF 2D
دو قاب آلی کووالانسی دو بعدی (COF 2D) مواد آلی بسیار متخلخل با کاربردهای امیدوارکننده برای کاتالیز ، ذخیره انرژی و ذخیره گاز هستند. این ساختارها از لایه های مرتبط با کووالانسی تشکیل شده اند که توسط فعل و انفعالات الکترواستاتیک و نیروهای ون در باالس برگزار می شوند. با این حال ، انتقال از تک لایه به دو لایه به دلیل تعامل پیچیده این نیروهای پیوند دهنده ، از جمله نیروهای ون در باالس ، جذب الکترواستاتیک و اتصال هیدروژن ، ضعیف درک نشده است.
ترتیب دقیق لایه دوم بسیار مهم است ، زیرا عدم تطابق می تواند کریستالی مواد را کاهش دهد. در حال حاضر ، تولید کریستال های COF منفرد ، بزرگتر از یک میلی متر ، به دلیل خطاهای اتصال احتمالی در هر دو اندازه افقی (XY) و عمودی (Z) یک چالش است. مونتاژ در حین چیدمان اغلب منجر به مشکلات کریستالی می شود ، به خصوص از چرخش اختلاف بین لایه ها. مشاهده فرایند تنظیم در طول رشد برای درک مکانیسم ضروری است ، اما این چالش های تجربی قابل توجهی است زیرا این روند در محلول انجام می شود.
غلبه بر مشکلات مربوط به پیچیدگی در سنتز
یک ترتیب تصادفی و تشکیل یک اتصال در طول سنتز هیدروترمال به کریستال ضعیف کمک می کند ، که اغلب منجر به حوزه های کریستالی ، کمتر از ده ها میکرون می شود. درک عمیق تر از چیدمان لایه می تواند روشهای سنتز را بهبود بخشد ، که امکان تولید کریستال های بزرگتر COF را فراهم می کند.
اگرچه پیشرفت قابل توجهی در سنتز پلیمرهای 2D (2DP) وجود دارد ، اما توسعه پشته های دو لایه 2 DP محدود است. این منطقه به ویژه امیدوار کننده است ، زیرا ترتیب یا پیچاندن مواد 2D می تواند مواد جدیدی را با خواص غیر از لایه های مختلف ایجاد کند. در مواد معدنی ، این زمینه ، معروف به Twistronics ، منجر به اکتشافات شد ، اما هنوز هم باید در مواد ارگانیک 2D مورد مطالعه قرار گیرد.
دستیابی به موفقیت در سنتز و تصاویر COF دو لایه
تیمی به سرپرستی پروفسور لوچ کیان پینگ از بخش شیمی NUS روشی را برای سنتز COF های بزرگ 2 لایه بزرگ در رابط با رابط سیال-زیرشاخه تهیه کرده است. این امر از طریق تراکم مستقیم مولکول های شیمیایی حاصل می شود. آنها با استفاده از یک میکروسکوپ تونل اسکن (STM) در یک راه حل ، آنها با موفقیت روند مونتاژ مولکولی را به تصویر می کشند و شکل گیری هر دو تک لایه و دو لایه را ضبط می کنند. مهمتر از همه ، آنها نشان می دهند که چگونه ساختار مولکولی و مخلوط حلال بر حالت های چیدمان دو لایه تأثیر می گذارد و چگونه ، تحت شرایط خاص ، پلاستیکی های فوق العاده تأمین کننده از چیدمان مرتب و دو لایه پیچیده.
COF با توجه به ماهیت متخلخل و ارگانیک قوی ، چالش های قابل توجهی را برای تصاویر هوا یا شرایط خلاء فوق العاده بلند (UHV) با استفاده از STM نشان می دهد. منافذ COF معمولاً پر از حلال است و سطوح آنها می تواند باقیمانده ها را ضبط کند و تصویر اسکن اتمی را پیچیده می کند. برای غلبه بر این مشکلات ، تیم به طور مستقیم روی تصاویر در محلول تمرکز می کند که سطح آن تمیزتر از هنگام قرار گرفتن در معرض هوا باشد.
پروفسور لوچ گفت: “انجام STM در یک راه حل به ما امکان می دهد تا روند پویا خود را برای خودسازی قاب های مولکولی در زمان واقعی مطالعه کنیم.”
این تیم تحقیق شامل دکتر جیان گولی ، که دکترا ، NUS در طول تحقیق بود و در حال حاضر محقق در انستیتوی نانوتک و نانو-بوننیك در شوژو ، پروفسور است.
نتایج تحقیق در مجله منتشر می شود شیمی طبیعی در 20 فوریه 2025
Moiré Super Reschers و زاویه های کنترل شده پیچش
Super -Irry Moiré مدلی است که زمانی اتفاق می افتد که دو لایه از ساختارهای دوره ای ، مانند مواد 2D ، در بالای یکدیگر قرار گرفته اند ، اما کمی نادرست تراز شده یا در زاویه های مختلف. این اختلاف یک مدل تناوبی جدید و بزرگتر ایجاد می کند که در هیچ یک از لایه های اصلی وجود ندارد. به سادگی ، مانند دو مجموعه نوار کاغذ است. اگر یک مجموعه از نوار کاغذی روی دیگری قرار گیرد اما کمی به پایان رسیده باشد ، منطقه همپوشانی یک مدل جدید ایجاد می کند – بهتر از مدل Moiré. Superlatics Moiré می تواند منجر به خصوصیات و رفتارهای الکترونیکی جالب شود که در لایه های مختلف یافت نمی شود و همین امر باعث می شود آنها به یک منطقه قابل توجه در زمینه علم برای مواد و فیزیک ماده متراکم تبدیل شوند.
زاویه های پیچ قابل تنظیم خوب از طریق طراحی مولکولی
تیم تحقیق نشان می دهد که با طراحی مولکول های خاص پیشرو ، آنها می توانند زاویه پیچش COF مرتب شده را به طور دقیق کنترل کنند تا Moiré Superlatcice را تشکیل دهند. بر خلاف مواد 2D معدنی ، که در آن زاویه های پیچ و تاب اغلب تصادفی و کنترل آن دشوار هستند ، در زاویه های پیچش COF 2D با طراحی پیش سازهای مولکولی قابل کنترل هستند.
محققان دو ایزومر مونومر مختلف را با هم مقایسه می کنند: پیرن-2،7-diboronne اسید (27-PDBA) و اسید پیرن -1،6-دیبریک (16-PDBA). با استفاده از 27-PDBA ، لایه دوم می تواند به AA بریده شود ، یا در ارتباط با لایه اول پیچ خورده باشد. در مقابل ، فقط یک به روزرسانی Moiré ، که توسط 16-PDBA تشکیل شده است و همان روبنا Moiré را نشان می دهد. این تفاوت به دلیل تفاوت های ظریف در پتانسیل های الکترواستاتیک است. 27-PDBA نمایشگاه منفی از بار منفی بر روی حلقه های بوروکسین آن ، که می تواند از تشکیل فازهای پیچ خورده نسبت به 16-PDBA جلوگیری کند ، که دارای پتانسیل الکترواستاتیک مسطح تر است.
دستورالعمل های آینده و برنامه های بالقوه
این مطالعه یک ایده اساسی از سنتز کنترل شده فیلم های آلی متخلخل فوق العاده -نازک ، به اندازه دو لایه سلولی ، ارائه می دهد. چنین فیلمهایی با ساختار کانال کنترل شده با کنترل خوب می توانند به عنوان لایه های تصفیه فوق العاده نازک در برنامه های نانوفیلتراسیون استفاده شوند. علاوه بر این ، توانایی تنظیم زاویه پیچ و تاب در COF های مرتب ، فرصت های جدیدی را برای دستکاری در گسترش نور ، از جمله کنترل فاز و قطبش باز می کند.
محققان با نگاهی به جلو ، قصد دارند این مفهوم را به پیش سازهای مولکولی کلاس وسیع تر با مواد شیمیایی مختلف گسترش دهند. آنها تلاش می کنند تا در تنظیم COF دو لایه ، کنترل بر زاویه های پیچش را به دست آورند و باز کردن برنامه های بالقوه اضافی در تصفیه و مواد نوری را باز کنند.
مرجع: قاب ارگانیک دو بعدی مویر توسط Gaolei Zhan ، Brecht Koek ، Yijia Yuan ، Yikuan Liu ، Vipin Mishra ، Veniero Lenzi ، Karol Strutyński ، Chunxia LI ، Rongron Jo Aurelio Mateo-Alonso ، Manuel Melle Franco ، Yihan Zhu ، Steven de Feyter and Kian Ping Loh ، 20 فوریه 2025 ، شیمی طبیعیحرف
doi: 10.1038/s41557-025-01748-5
