Syntetiska polymerer finns överallt – nylon, polyester, Teflon och epoxi, för att bara nämna några – och dessa polymerer är alla långa, linjära strukturer som trasslar ihop sig till oprecisa strukturer. Kemister har länge drömt om att göra polymerer med tvådimensionella, rutnätsliknande strukturer, men detta mål har visat sig vara utmanande.

De första exemplen på sådana strukturer, nu känd som kovalenta organiska ramverk (COFs), upptäcktes 2005, men deras kvalitet har varit dålig och förberedelsemetoder är okontrollerade. Nu är ett forskarlag från Northwestern University först med att producera högkvalitativa versioner av dessa material, visa sina överlägsna egenskaper och kontrollera deras tillväxt.

Forskarna utvecklade en tvåstegs tillväxtprocess som producerar organiska polymerer med kristallina, tvådimensionella strukturer. Precisionen i materialets struktur och det tomma utrymme som dess hexagonala porer ger kommer att tillåta forskare att designa nya material med önskvärda egenskaper.

Även lågkvalitativa COF har visat preliminärt löfte om vattenrening, lagring av el, kroppsskydd och andra tuffa kompositmaterial. När den väl utvecklats vidare, Prover av högre kvalitet av dessa material kommer att göra det möjligt att utforska dessa applikationer mer fullständigt.

"Dessa kovalenta organiska ramverk fyller ett sekellångt gap i polymervetenskap, "sade William Dichtel, en expert inom organisk kemi och polymerkemi som ledde studien. "De flesta plaster är långa, linjära strukturer som trasslar ihop som spagetti. Vi har gjort beställda tvådimensionella polymerer där byggstenarna är ordnade i ett perfekt rutnät av repeterande hexagoner. Detta ger oss exakt kontroll över strukturen och dess egenskaper."

Dichtel är Robert L. Letsinger professor i kemi vid Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences.

Studien, "Seeded Growth of Single-Crystal Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks, "kommer att publiceras den 21 juni av tidningen Vetenskap via First Release. (Papperet kommer att dyka upp i tryck vid ett senare tillfälle.)

2-D COF har permanenta porer och extremt hög ytarea. Föreställ dig ytan på en fotbollsplan som finns i cirka två gram material, eller två gem, Sa Dichtel. Varje litet hål har samma storlek och form och har exakt samma sammansättning.

I tvåstegsprocessen, forskarna odlar först "frön" med små partiklar till vilka de långsamt lägger till fler av byggstenarna, under noggrant kontrollerade förhållanden. Den långsamma tillsatsen gör att byggstenarna lägger till fröna istället för att skapa nya frön. Resultatet är större, högkvalitativa partiklar som består av stora, hexagonala ark istället för ett gäng aggregerade kristaller.

"Detta är främst ett syntespapper, men vi mätte också egenskaper som endast framkommer i dessa högkvalitativa prover, " sa Dichtel. "Till exempel, vi visar att energi kan röra sig genom hela strukturen när den absorberar ljus, som kan vara användbart vid solenergiomvandling."

När 2-D COFs odlades, andra kemister Nathan C. Gianneschi och Lucas R. Förälder studerade noggrant partiklarna med hjälp av ett elektronmikroskop. De bekräftade att partiklarna är individuella och inte aggregerade och är perfekt enhetliga genom hela strukturen.

Gianneschi är professorn för Jacob och Rosaline Cohn vid avdelningen för kemi vid Weinberg College. Han är också professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik och biomedicinsk teknik vid McCormick School of Engineering. Förälder är postdoktor i Gianneschis grupp. Båda är medförfattare till tidningen.

Nästa, Lin X. Chen och Richard D. Schaller mätte hur ett av materialen interagerar med ljus. Deras studier visar att energi kan röra sig genom dessa material mycket längre avstånd än de storlekar som finns tillgängliga med gamla metoder.

Chen är professor i kemi, och Schaller är biträdande professor i kemi, båda i Weinberg. Båda är medförfattare till tidningen.

"Denna studie har varit mycket glädjande - att framgångsrikt odla dessa material och börja se deras löfte, "Dichtel, som har studerat COFs i ett decennium. "Vi tror att denna utveckling kommer att möjliggöra för polymervetenskapen."