Les chercheurs de l’Université Rice créent des films minces de structures organiques covalentes par dépôt en phase vapeur. Les scientifiques des matériaux ont créé une technologie de production efficace, rentable et évolutive pour les cadres organiques covalents (COF). Les principales caractéristiques de ces polymères cristallins sont leur structure moléculaire ajustable, leur grande surface et leur nature poreuse, 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 que, bien qu'elles soient des polymères, elles sont disposées en structures répétitives ordonnées, ce qui en fait une sorte de cristal", a déclaré Jeremy Daum, doctorant à 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 dans un plan bidimensionnel, puis ils s'empilent sur eux-mêmes, et c'est ainsi que vous obtenez des matériaux bidimensionnels superposés."
Alec Ajnsztajn, titulaire d'un doctorat Rice. ancien élève et autre auteur principal de l'étude, a déclaré que cette technique de synthèse permet de produire des COF cristallins bidimensionnels ordonnés en un temps record en utilisant des techniques de 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 du film et de garantir que les pores sont alignés, ce qui est nécessaire à la fabrication du film."
La capacité de contrôler la taille des pores serait utile dans les séparateurs, les COF pourraient être utilisés comme membranes pour le dessalement et pourraient potentiellement aider à remplacer les processus énergivores comme la distillation. Dans le domaine de l'électronique, les COF sont utilisés comme séparateurs de batteries et transistors organiques.
"Les COF ont le potentiel de jouer un rôle dans divers processus catalytiques. Par exemple, vous pouvez utiliser les COF pour décomposer le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles comme l'éthylène et l'acide formique", a déclaré Daum.
Défis et innovations dans la production de COF
L’un des obstacles empêchant une adoption plus large des COF est que les méthodes de production impliquant le traitement de solutions prennent du temps et sont plus difficiles à adapter en milieu industriel.
"La production de la solution en poudre requise pour le COF peut nécessiter un temps de réaction de trois à cinq jours", a déclaré Ajnsztajn. "Notre méthode est beaucoup plus rapide. Après plusieurs mois d'optimisation, nous pouvons produire des films de haute qualité en 20 minutes ou moins."
Analyse et vérification des films COF
Pour s'assurer que leurs films présentaient la structure moléculaire correcte, Daum et Ajnsztajn ont travaillé 71 heures par jour au Laboratoire national d'Argonne où les échantillons ont été analysés à l'aide de la source de photons avancée.
"Nous savions qu'il était temps de partir, mais nous étions très satisfaits des résultats", a déclaré Daum. "Nous avons dû nous rendre au laboratoire national car cette technique était le seul moyen de mesurer la qualité du film et de nous assurer que nous prenions les bonnes mesures pour l'optimiser."
Les études en microscopie ont mis en lumière le processus de croissance des cristaux de COF et ont contribué à démontrer que des températures aussi élevées que 340 degrés Celsius (environ 644 degrés Fahrenheit) peuvent être utilisées 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 correctes de se produire, mais nous avons découvert que le dépôt chimique en phase vapeur est en réalité une méthode viable pour fabriquer des matériaux organiques", a déclaré Ajnsztajn.
Méthode de bricolage à faible coût pour la production de COF
Pour fabriquer le COF, Daum et Ajnsztajn ont construit un réacteur de fortune à partir de pièces d'équipement de laboratoire mises au rebut et d'autres matériaux bon marché et facilement disponibles.
"Les coûts d'assemblage pour l'ensemble du processus sont très faibles", a déclaré Daum. "La mise en place d'un processus robuste et évolutif pour produire divers films COF devrait permettre de meilleures applications des COF dans la catalyse, le stockage d'énergie, les membranes et d'autres domaines."
Source compilée : ScitechDaily