Los investigadores de la Universidad Rice crean películas delgadas de estructuras orgánicas covalentes mediante deposición de vapor. Los científicos de materiales han creado una tecnología de producción eficiente, rentable y escalable para estructuras orgánicas covalentes (COF). Las características más destacadas de estos polímeros cristalinos son su estructura molecular ajustable, su gran superficie y su naturaleza porosa, lo que los hace potencialmente valiosos en áreas como aplicaciones de energía, dispositivos semiconductores, sensores, sistemas de filtración y administración de fármacos.
"Lo que hace que estas estructuras sean tan especiales es que, aunque son polímeros, están dispuestas en estructuras que se repiten ordenadamente, lo que las convierte en una especie de cristal", dijo Jeremy Daum, estudiante de doctorado en Rice y autor principal de un estudio publicado en ACS Nano. "Estas estructuras se parecen un poco a la malla metálica: son celosías hexagonales que se repiten en un plano bidimensional, y luego se apilan sobre sí mismas, y así es como se obtienen materiales bidimensionales en capas".
Alec Ajnsztajn, Ph.D. de Rice. El ex alumno y otro autor principal del estudio, dijo que esta técnica de síntesis permite producir COF cristalinos bidimensionales ordenados en un tiempo récord utilizando técnicas de deposición de vapor.
"Muchas veces, cuando se crean COF mediante el procesamiento de soluciones, no hay alineación en la película", dijo Ajnsztajn. "Esta técnica de síntesis nos permite controlar la orientación de la película y asegurar que los poros estén alineados, que es lo que se necesita para hacer la película".
La capacidad de controlar el tamaño de los poros sería útil en los separadores, los COF podrían usarse como membranas para la desalinización y podrían ayudar a reemplazar procesos que consumen mucha energía, como la destilación. En el campo de la electrónica, los COF se utilizan como separadores de baterías y transistores orgánicos.
"Los COF tienen el potencial de desempeñar un papel en una variedad de procesos catalíticos; por ejemplo, se podrían usar COF para descomponer el dióxido de carbono en sustancias químicas útiles como etileno y ácido fórmico", dijo Daum.
Retos e innovaciones en la producción de COF
Uno de los obstáculos que impide una adopción más amplia de los COF es que los métodos de producción que implican el procesamiento de soluciones requieren mucho tiempo y son más difíciles de adaptar en entornos industriales.
"La producción de la solución en polvo necesaria para el COF puede requerir un tiempo de reacción de tres a cinco días", afirmó Ajnsztajn. "Nuestro método es mucho más rápido. Después de varios meses de optimización, podemos producir películas de alta calidad en 20 minutos o menos".
Análisis y verificación de películas COF.
Para garantizar que sus películas exhibieran la estructura molecular correcta, Daum y Ajnsztajn trabajaron en turnos de 71 horas en el Laboratorio Nacional Argonne, donde las muestras se analizaron utilizando la Fuente Avanzada de Fotones.
"Sabíamos que era hora de 'irnos', pero estábamos muy contentos con los resultados", dijo Daum. "Tuvimos que ir al laboratorio nacional porque esta técnica era la única manera de medir la calidad de la película y asegurarnos de que estábamos tomando las medidas correctas para optimizarla".
Los estudios de microscopía arrojaron luz sobre el proceso de crecimiento de los cristales de COF y ayudaron a demostrar que se pueden utilizar temperaturas de hasta 340 grados Celsius (aproximadamente 644 grados Fahrenheit) para sintetizar moléculas orgánicas.
"Mientras trabajábamos en este proyecto, escuchamos a muchas personas que calentar moléculas orgánicas a temperaturas tan altas evitaría que ocurrieran las reacciones correctas, pero descubrimos que la deposición química de vapor es en realidad un método viable para producir materiales orgánicos", dijo Ajnsztajn.
Método de bricolaje de bajo costo para la producción de COF
Para fabricar el COF, Daum y Ajnsztajn construyeron un reactor improvisado con piezas desechadas de equipos de laboratorio y otros materiales baratos y fácilmente disponibles.
"Los costes de montaje de todo el proceso son muy bajos", afirma Daum. "Se espera que el establecimiento de un proceso robusto y escalable para producir diversas películas de COF permita mejores aplicaciones de los COF en catálisis, almacenamiento de energía, membranas y otros campos".
Fuente compilada: ScitechDaily