کشف جدید در علم مواد/ دانشمندان کد پیچیده‌ی چینش و انباشته‌سازی مواد دوبعدی را رمزگشایی کردند

دانشمندان به دستاورد بزرگی در تصویربرداری از فرآیند تجمع دینامیکی چارچوب‌های آلی کووالانسی دوبلایه در محلول دست یافته‌اند. این کشف در‌های جدیدی را برای کنترل بهتر نحوه چینش این مواد فوق‌العاده نازک باز می‌کند و منجر به ایجاد ابر شبکه‌های مویری جذاب می‌شود که نقش کلیدی در زمینه رو به رشد "چرخش‌شناسی" دارند.

تصویربرداری از فرآیند تجمع دینامیکی COF‌های دوبلایه شیمیدانان دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) موفق به تصویربرداری در زمان واقعی از تشکیل چارچوب‌های آلی کووالانسی دوبلایه (COF) در محلول شدند. این پیشرفت به درک بهتر نحوه چینش این لایه‌ها و ظهور ابر شبکه‌های مویری کمک می‌کند. ابر شبکه‌های مویری بخشی از حوزه‌ی رو به رشد "چرخش‌شناسی" هستند، جایی که با چرخاندن یک لایه اتمی نسبت به لایه دیگر، خواص الکترونیکی جدیدی ایجاد می‌شود. در این حالت، الکترون‌ها دیگر به عنوان ذرات مستقل عمل نمی‌کنند بلکه با یکدیگر تعامل قوی‌تری دارند که می‌تواند منجر به شکل‌های منحصر به فردی از ابررسانایی یا مغناطیس شود.

در حالی که ابر شبکه‌های مویری در مواد غیرآلی مشاهده شده‌اند، این الگو‌ها در بلور‌های کاملاً آلی بسیار نادرتر هستند. دلیل آن این است که الگو‌های مویری نیاز به مواد بسیار نازک و بلورین دارند که دستیابی به آن در مواد آلی با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری معمولی دشوار است.

به گزارش ساینس دیلی، درک فرآیند چینش در COF‌های دوبعدی چارچوب‌های آلی کووالانسی دوبعدی (۲D COFs) مواد آلی بسیار متخلخلی هستند که کاربرد‌های امیدوارکننده‌ای در کاتالیز، ذخیره انرژی و ذخیره گاز دارند. این ساختار‌ها از لایه‌هایی تشکیل شده‌اند که با پیوند‌های کووالانسی به هم متصل شده‌اند و از طریق تعاملات الکترواستاتیکی و نیرو‌های وان‌دروالسی یکدیگر را جذب می‌کنند. با این حال، انتقال از یک لایه به دوبلایه هنوز به خوبی درک نشده است، زیرا این فرآیند تحت تأثیر تعاملات پیچیده‌ای همچون نیرو‌های وان‌دروالسی، جذب الکترواستاتیکی و پیوند هیدروژنی قرار دارد.

چینش دقیق لایه دوم بسیار مهم است، زیرا هم‌راستایی نادرست می‌تواند بلورینگی ماده را کاهش دهد. در حال حاضر، تولید بلور‌های COF بزرگتر از یک میلی‌متر چالش‌برانگیز است، زیرا ممکن است اشتباهات در پیوندگذاری در ابعاد افقی (x-y) و عمودی (z) به وجود آید. هم‌راستایی نادرست در حین چینش معمولاً منجر به مشکلات بلورینگی می‌شود، به ویژه زمانی که لایه‌ها به طور چرخشی نسبت به یکدیگر دچار اختلال می‌شوند. مشاهده فرآیند چینش در حین رشد برای درک مکانیسم آن ضروری است، اما این امر چالش‌های آزمایشگاهی قابل توجهی را به همراه دارد، زیرا این فرآیند در محلول اتفاق می‌افتد.

رفع مشکلات بلورینگی در سنتز چینش تصادفی و تشکیل پیوند در حین سنتز هیدروترمال باعث کاهش کیفیت بلورینگی می‌شود و معمولاً منجر به تشکیل دامنه‌های بلوری کوچکتر از ده‌ها میکرون می‌شود. درک بهتر فرآیند چینش لایه‌ها می‌تواند روش‌های سنتز را بهبود بخشد و امکان ساخت بلور‌های COF بزرگتر را فراهم کند.

در حالی که پیشرفت‌های قابل توجهی در سنتز پلیمر‌های دوبعدی تک لایه (۲DP) صورت گرفته است، توسعه‌ی لایه‌های دوبلایه ۲DP محدود باقی مانده است. این حوزه به ویژه امیدوارکننده است، زیرا چینش یا چرخاندن مواد دوبعدی می‌تواند مواد جدیدی با خواصی متفاوت از لایه‌های فردی ایجاد کند. در مواد غیرآلی، این حوزه که به "چرخش‌شناسی" معروف است، کشفیاتی به همراه داشته، اما هنوز در مواد آلی دوبعدی کاوش نشده است.

دستاورد در سنتز و تصویربرداری COF دوبلایه تیمی به رهبری پروفسور لو کیان پینگ از دپارتمان شیمی دانشگاه NUS روشی برای سنتز COF‌های دوبلایه در مقیاس بزرگ در مرز مایع-سطح توسعه داده است. این کار از طریق تقطیر مستقیم مولکول‌های شیمیایی انجام شد. با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی اسکن (STM) در محلول، آنها به طور موفقیت‌آمیز فرآیند تجمع مولکولی را تصویربرداری کردند و شکل‌گیری هم لایه‌ی تک و هم دوبلایه را ثبت کردند. مهم‌تر از همه، آنها نشان دادند که چگونه ساختار مولکولی و ترکیب حلال بر نحوه چینش لایه‌های دوبلایه تأثیر می‌گذارد و چگونه در شرایط خاص، ابر شبکه‌های مویری در اثر چینش دوبلایه چرخان ایجاد می‌شوند.

کشفیات این تحقیق در تاریخ ۲۰ فوریه ۲۰۲۵ در مجله Nature Chemistry منتشر شد.

آینده و کاربرد‌های بالقوه این مطالعه دیدگاه‌های اساسی در مورد سنتز کنترل شده فیلم‌های آلی فوق نازک متخلخل به عرض دو واحد سلولی فراهم می‌آورد. چنین فیلم‌هایی با ساختار کانال‌های کنترل‌شده به عنوان لایه‌های فوق‌العاده نازک در کاربرد‌های نانوفیلتراسیون می‌توانند استفاده شوند. علاوه بر این، توانایی تنظیم زاویه چرخش در لایه‌های COF انباشته شده، امکانات جدیدی برای دستکاری پراکندگی نور، از جمله کنترل فاز و قطبش باز می‌کند.

تحقیقات آینده این تیم بر گسترش این مفهوم به مجموعه‌های وسیع‌تری از پیش‌ماده‌های مولکولی با شیمی پیوندی مختلف تمرکز خواهد داشت.

هدف آنها دستیابی به کنترل قطعی بر زاویه‌های چرخش در چینش لایه‌های COF دوبلایه است که پتانسیل کاربرد‌های بیشتر در فیلتر کردن و مواد نوری را آزاد خواهد کرد.

انتهای پیام/