萊斯大學的研究人員透過氣相沉積製造共價有機框架薄膜。材料科學家們創造出了一種高效、經濟、可擴展的共價有機框架（COFs）生產技術。這些結晶聚合物的顯著特徵是分子結構可調、表面積大、多孔，因此在能源應用、半導體裝置、感測器、過濾系統和藥物傳輸等領域具有潛在價值。

萊斯大學材料科學家開發出一種快速、低成本、可擴展的方法來製造共價有機框架（COF）。圖片來源：Gustavo Raskosky 拍攝/萊斯大學

萊斯大學博士生、發表在《ACS Nano》上的一項研究的第一作者傑里米-道姆（Jeremy Daum）說：”這些結構之所以如此特別，是因為它們雖然是聚合物，但卻排列成有序的重複結構，使其成為一種晶體。這些結構看起來有點像雞絲–它們是在二維平面上重複排列的六邊形晶格，然後它們疊加在自己的上面，這就是你得到層狀二維材料的方法。”

萊斯大學的博士校友、該研究的另一位主要作者Alec Ajnsztajn 說，這種合成技術使得利用氣相沉積技術在創紀錄的時間內生產出有序的二維晶體COF 成為可能。

Ajnsztajn說：”很多時候，當你透過溶液加工製造COF時，薄膜上沒有對齊。這種合成技術使我們能夠控制薄膜的取向，確保孔隙排列整齊，而這正是製造薄膜所需要的。”

Alec Ajnsztajn（左）和Jeremy Daum 是發表在《ACS Nano》上的一項研究的主要共同作者。圖片來源：Gustavo Raskosky/萊斯大學拍攝

控制孔徑的能力在分離器中非常有用，COFs 可用作海水淡化的薄膜，並有可能幫助取代蒸餾等能源密集型製程。在電子領域，COF 可用作電池隔膜和有機晶體管。

Daum說：”COF具有在各種催化過程中發揮作用的潛力–例如，你可以用COF將二氧化碳分解成乙烯和甲酸等有用的化學物質。”

COF 生產中的挑戰與創新

阻礙COF 更廣泛應用的障礙之一是，涉及溶液處理的生產方法耗時較長，在工業環境中更難適應。

“生產COF 所需的溶液粉末可能需要三到五天的反應時間，”Ajnsztajn 說。”我們的方法要快得多。經過幾個月的優化，我們只需20 分鐘或更短的時間就能生產出高品質的薄膜。”

COF 薄膜的分析與驗證

為了確保他們的薄膜呈現出正確的分子結構，Daum 和Ajnsztajn 來到阿貢國家實驗室，利用先進光子源對樣品進行分析，他們連續輪班工作了71 個小時。

道姆說：”我們知道是時候’出發’了，但我們對結果非常滿意。我們必須去國家實驗室，因為這種技術是測量薄膜質量和確保我們採取正確措施優化薄膜的唯一方法。”

共價有機框架是一類結晶聚合物，其可調整的分子結構、大表面積和多孔性可用於能源應用、半導體裝置、感測器、過濾系統和藥物傳輸。圖片來源：Gustavo Raskosky 拍攝/萊斯大學

顯微鏡研究深入揭示了COF 晶體的生長過程，並幫助證明了高達340 攝氏度（約644 華氏度）的溫度可用於合成有機分子。

Ajnsztajn說：”在研究這個專案的過程中，我們聽到很多人認為，將有機分子加熱到如此高的溫度會阻礙正確反應的發生，但我們發現，化學氣相沉積實際上是一種製造有機材料的可行方法。”

低成本的COF 生產DIY 方法

為了製造COF，Daum 和Ajnsztajn 利用廢棄的實驗室設備零件和其他廉價易得的材料建造了一個臨時反應器。

“整個過程的組裝成本非常低，”Daum 說。”建立一個穩健的、可擴展的生產各種COF 薄膜的工藝，有望讓COF 在催化、儲能、膜等領域得到更好的應用”。

編譯來源：ScitechDaily