Prva molekularna preproga polimerov

Polimeri prvič v dveh dimenzijah

Shematski prikaz linearnega polimera v obliki verige (modre škatle) in dvodimenzionalnega polimera, v katerem so monomeri razporejeni ravno. (oranžni trikotniki). © Raziskovalna skupina Schlüter / ETH Zürich
prebral

Raziskovalcem je prvič uspelo izdelati redno urejene dvodimenzionalne polimere. Na nanometrski lestvici tvorijo nekakšno "molekularno preprogo". Na primer, te strukture bi se lahko uporabljale za filtriranje drobnih molekul.

Kemik Hermann Staudinger je že leta 1920 postuliral obstoj makromolekul iz enakih gradnikov, nanizanih skupaj kot veriga. Za profesionalne kroge si je sprva zaslužil le norčevanje in nerazumevanje. Toda Staudinger mora imeti prav: že leta 1950 je na kilograme na leto proizvedel en kilogram polimerov, bolj znanih kot plastika; danes znaša približno 150 milijonov ton na leto. Gigantska industrija, katere izdelki so postali sestavni del našega vsakdana. Raziskovalna skupina, ki sta jo vodila Dieter Schlüter in Junji Sakamoto iz ZTU ETH, je zdaj dosegla odločilen preboj: prvič so izdelali dvodimenzionalne, torej ravninske polimere.

Polimere tvorijo majhne molekule, tako imenovani monomeri, s kemičnimi reakcijami se verigo tvorijo v snovi z visoko molekulsko maso. Vprašanje je bilo zdaj, ali polimeri lahko polimerizirajo izključno linearno. Čeprav je grafen - dvodimenzionalne plasti ogljika z vzorcem satja - naravni predstavnik ravninskega polimera, ga ni mogoče nadzorovati.

Da bi razvili sintetično kemijo za dvodimenzionalne polimere, so morali kemiki ETH najprej sintetizirati oligofunkcionalne monomere - polimerne gradnike z več "reaktivnimi" mesti v molekuli, ki se ne kombinirajo linearno ali celo prostorsko, ampak le na čisto planarni način. Takšni polimeri morajo imeti tri ali več kovalentnih vezi med ponavljajočimi se enotami. Znanstveniki so zato morali najprej ugotoviti, katera sestavljena kemija in okolje sta najprimernejša za izdelavo takšne molekularne preproge.

S svetlobnimi in posebnimi gradniki do "molekularne preproge"

Odločili so se za sintezo v enem samem kristalu, kristalu z rešetko homogene plasti. Doktorskemu študentu Patricku Kisselu je končno uspelo kristalizirati posebej pripravljene monomere v slojevite šesterokotne enojne kristale. To so bile fotokemično občutljive molekule, za katere je takšna ureditev energetsko optimalna. Obsevani s svetlobo na valovni dolžini 470 nanometrov so monomeri polimerizirali v vseh plasteh - in samo v teh plasteh. Za ločitev posameznih slojev so kristal kuhali kristal v primernem topilu. Rezultat: Vsaka plast je dala dvodimenzionalni polimer. zaslon

Dejstvo, da je ekipa res lahko proizvajala luskave polimere z redno strukturo, so na koncu pokazale študije o prenosnem elektronskem mikroskopu (TEM) raziskovalca Empe Rolfa Ernija in raziskovalke ETH Marte Rossell, ki sta se odtlej vključila deluje tudi v centru za elektronsko mikroskopijo v Empi. "Izziv je bil, da so ti dvodimenzionalni polimeri izjemno občutljivi na sevanje in je zato težko meriti strukturo teh materialov med meritvami s TEM, " pojasnjuje Erni. Z eksperimenti difrakcije pri minus 196 stopinjah Celzija, torej pri temperaturi, pri kateri se dušik kondenzira, in slikami z visoko ločljivostjo pri majhnem odmerku elektronov, so raziskovalci Empe končno uspeli dokazati, da so umrežene molekule zelo topne Pravzaprav imajo urejeno dvodimenzionalno strukturo.

Možna uporaba: molekularno sito

Razviti postopek polimerizacije je tako nežen, da vse funkcionalne skupine monomera ostanejo v polimeru na določenih položajih. "Naši sintetično proizvedeni polimeri niso prevodni kot grafen, vendar bi jih lahko uporabili za filtriranje zelo majhnih molekul, na primer, " pravi Sakamoto. V redno urejenih polimerih so dejansko majhne določene luknje s premerom v območju subnanometra. Drobne šesterokotnike iz polimerov, ki jih tvorijo benzenski obroči s tremi estrskimi skupinami, je mogoče odstraniti tudi s preprostim hidroliznim postopkom. Tako bi nastalo "sito" z urejeno strukturo, ki je primerna za selektivno filtracijo določenih molekul.

Preden pa raziskovalci razmišljajo o konkretnih aplikacijah, je pomembno, da se opredelijo materialne lastnosti dvodimenzionalnih polimerov. Najprej morate najti način za večje količine večjih površin. Trenutno imajo kristali velikost le 50 mikronov. "Na molekularni ravni pa so to že ogromne stopnje polimerizacije, " poudarja Sakamoto. (Narava kemija, 2012; doi: 10.1038 / nchem.1265)

(ETH Zürich, 14.02.2012 - NPO)