Síntesis ascendente de polímeros cristalinos 2D
Un sueño que finalmente se hace realidad
Científicos del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) de la Universidad Técnica de Dresde han logrado por primera vez sintetizar polímeros 2D en forma de hojas mediante un proceso ascendente. Para ello se desarrolló una nueva vía de reacción sintética. Los polímeros 2D están formados por unas pocas capas atómicas y, debido a sus propiedades muy especiales, son un material prometedor para su uso en componentes y sistemas electrónicos de nueva generación. El resultado de la investigación es un trabajo en colaboración de varios grupos de la Universidad Técnica de Dresde y de la Universidad de Ulm.
© Marc Hermann, TRICKLABOR/Dr. Haoyuan Qi, Uni Ulm
Desde que Hermann Staudinger descubrió los polímeros lineales en 1920, ha sido un sueño de los científicos especializados en sintéticos extender la polimerización a la segunda dimensión. Un polímero bidimensional (2D) es una macromolécula monomolecular similar a una lámina que consiste en unidades de repetición conectadas lateralmente con grupos terminales a lo largo de todos los bordes. Dada la enorme diversidad química y estructural de los bloques de construcción (es decir, los monómeros), los polímeros 2D son muy prometedores en el diseño de materiales racionales adaptados para aplicaciones de próxima generación, como la separación de membranas, la electrónica, los dispositivos ópticos, el almacenamiento y la conversión de energía, etc. Sin embargo, a pesar de los tremendos desarrollos en química sintética durante el último siglo, la síntesis ascendente de polímeros 2D con estructuras definidas sigue siendo una tarea formidable.
Desde 2014, un grupo de científicos de la Technische Universität Dresden y de la Universidad de Ulm unieron sus fuerzas para perseguir este fascinante pero desafiante objetivo. El equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) desarrolló de forma innovadora una nueva vía sintética: el uso de surfactante monocapa como plantilla blanda para guiar la organización supramolecular de los monómeros y la posterior polimerización 2D en una interfaz aire-agua. Esta metodología sintética se denomina ahora Síntesis Interfacial Asistida por Surfactantes y Capas Monocomponentes (SMAIS, por sus siglas en inglés). Utilizando el método SMAIS, el Dr. Tao Zhang sintetizó películas cristalinas cuasi-2D de polianilina con un tamaño lateral de ~50 cm2 y un espesor ajustable (2.6 - 30 nm). Las propiedades superiores de transporte de carga y la quimiosistividad hacia el amoníaco y los compuestos orgánicos volátiles hacen que las películas de polianilina cuasi-2D sean materiales electroactivos prometedores para la electrónica orgánica de película delgada. Para explorar más a fondo el potencial de SMAIS, el Sr. Kejun Liu, el Dr. Tao Zhang, el Dr. Zhikun Zheng y el Dr. Renhao Dong lograron por primera vez una síntesis controlada de poliamida 2D de pocas capas altamente cristalinas y poliamida. Los polímeros 2D tienen un grosor de sólo unos pocos nanómetros y pueden transferirse fácilmente a sustratos arbitrarios, lo que abre una interesante oportunidad para la integración de polímeros 2D en dispositivos y sistemas de próxima generación.
Junto con los desarrollos fundamentales en el frente de la síntesis, el grupo de microscopía electrónica de transmisión dirigido por el Prof. Dr. Ute Kaiser (Universidad de Ulm) proporcionó otro pilar indispensable de la investigación conjunta. Desde el desarrollo de la corrección de la aberración, la imagenología TEM de alta resolución ha sido una técnica poderosa en la caracterización estructural hasta la escala atómica. Sin embargo, los materiales orgánicos que contienen hidrógeno son extremadamente propensos a la desintegración estructural bajo el haz de electrones, haciendo de la imagenología HRTEM de polímeros 2D una misión altamente exigente. Utilizando el HRTEM corregido por aberración esférica, el Dr. Haoyuan Qi ha logrado desentrañar con éxito la micro-morfología, las estructuras moleculares, las estructuras de borde y de borde de los polímeros sintéticos 2D: un logro del que rara vez se informa en la literatura.
Las estructuras moleculares y la cristalinidad general se han aclarado aún más mediante la dispersión de rayos X con incidencia de pastoreo de sincrotrón (cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresden). El grupo del Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) proporcionó cálculos de densidad-funcionales de unión hermética que ofrecen una visión significativa de las estructuras atomísticas de los polímeros sintéticos 2D.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Kejun Liu et al.; "On-water surface synthesis of crystalline two-dimensional polymers assisted by surfactant monolayers"; Nature Chemistry; 2019.
Dr. Tao Zhang et al.; "Engineering Crystalline Quasi-Two-Dimensional Polyaniline Thin Film with Enhanced Electrical and Chemiresistive Sensing Performances"; Nature Communications; 2019.
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