Vi presenterar en ny mikrofluidbaserad metod för syntes av kovalenta organiska ramverk (COF). Vi visar hur detta tillvägagångssätt kan användas för att producera kontinuerliga COF-fibrer, och även 2D- eller 3D-COF-strukturer på ytor.
Kovalenta organiska ramar (COF) är en klass av porösa kovalenta material som ofta syntetiseras som oförädliga kristallina pulver. Den första COF rapporterades 2005 med stor ansträngning med inriktning på upprättandet av nya syntetiska rutter för dess förberedelse. Hittills är de flesta tillgängliga syntetiska metoderna för COF-syntes baserad på bulkblandning under solvotermala förhållanden. Därför finns det ett ökande intresse för att utveckla systematiska protokoll för COF-syntes som möjliggör fin kontroll över reaktionsförhållandena och förbättrar COF-bearbetbarhet på ytor, vilket är väsentligt för användning i praktiska tillämpningar. Här presenteras en ny mikrofluidbaserad metod för COF-syntes där reaktionen mellan två beståndsdelar, 1,3,5-bensentrikarbaldehyd (BTCA) och 1,3,5-tris (4-aminofenyl) bensen (TAPB), Sker under kontrollerade diffusionsbetingelser och vid rumstemperatur. Användning av ett sådant tillvägagångssätt ger svampliknande, crysTalliska fibrer av ett COF-material, nedan kallat MF-COF. De mekaniska egenskaperna hos MF-COF och den dynamiska karaktären av tillvägagångssättet möjliggör kontinuerlig produktion av MF-COF-fibrer och deras direkta tryckning på ytor. Den allmänna metoden öppnar nya potentiella applikationer som kräver avancerad utskrift av 2D- eller 3D-COF-strukturer på flexibla eller styva ytor.
Kovalenta organiska ramverk (COF) är en väletablerad klass av poröst och kristallint material, i vilket de organiska byggstenarna hålls fast tillsammans med kovalenta bindningar 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COF: er sammansätts typiskt efter supramolekylära kemiprinciper, där de molekylära byggblocken utgörs selektivt för att definiera en slutlig och förutbestämd porös sammansättning. Ett sådant tillvägagångssätt möjliggör syntesen av material med kontrollerad och beställd struktur ( t.ex. med definierade pordimensioner) och komposition 3 , 6 , 7 , 8 . Jämfört med andra porösa material är COF unika eftersom de består av lätta element (C, H, B, N och O) och har avstämningsbar poro Sitet 1 , 5 . Inspirerad av dessa unika och inneboende egenskaper har COF-värden bedömts för potentiell tillämpning i kemiska separationer 9 , gaslagring 10 och katalys 11 , sensorer 12 , optoelektronik 13 , ren energiteknik 14 och elektrokemiska energianordningar 15 .
Hittills är de allra flesta metoder som används för framställning av COF-material baserade på solvotermiska självkondensation och samkondensationsreaktioner, där höga temperaturer och tryck är standarden. Även om COF är värmebeständiga, har de vanligtvis begränsad bearbetning, dvs COF är vanligen olösliga och oföränderliga kristallpulver och detta begränsar användningen avsevärt i en rad potentiella och praktiska tillämpningarSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . Trots de anmärkningsvärda framsteg som gjorts i COF-syntesen är en stor utmaning inom området att utveckla en metod som möjliggör framställning av COF i lämpliga reaktionsförhållanden (t ex temperatur och tryck), som sedan kan underlätta deras bearbetbarhet på ytor.
Nyligen har studier visat att Shiff-baskemi kan användas för att syntetisera en iminbaserad COF vid rumstemperatur. COF-materialet, benämnt RT-COF-1, bildas på grund av den snabba och effektiva reaktionen mellan 1,3,5-tris (4-aminofenyl) bensen (TAPB) och 1,3,5-bensentrikarbaldehyd (BTCA) 17 1A ). Effekten av denna syntetiska metod demonstrerades genom direkt tryckning av mikron- och submikronmönster av RT-COF-1 på både styva och flexibla ytor med användning av litografi ellerBläckstråleskrivningsteknik. Nyligen, och utnyttjat mikrofluidika, har vi visat ett effektivt tillvägagångssätt för kontinuerlig syntes av fibrer av samma iminbaserade COF, nedan kallad MF-COF 6 . Till skillnad från andra rapporterade syntetiska tillvägagångssätt för framställning av COFs 18 möjliggjorde denna mikrofluidbaserade syntesmetod den snabba syntesen av MF-COF-fibrer vid omgivande temperaturer och tryck inom några sekunder. Vidare och på grund av den mekaniska stabiliteten hos de syntetiserade MF-COF-fibrerna har vi visat hur en sådan mikrofluidbaserad metod kan möjliggöra direkt tryckning av 2D- och 3D-strukturer på ytor. Här visar vi att denna metod kan användas för att rita COF-strukturer på olika ytor med olika kemiska och fysikaliska egenskaper. Vi tror att denna nya metod öppnar nya vägar för den välkontrollerade mönstret och direktutskrift av COF i olika orienteringar och på olika ytor.
Den här mikrofluidbaserade syntetiska metoden ger en ny och enkel metod för direkt tryckning av COF-material på ytor. Syntes utförs med användning av en enkelskiktsmikrofluidisk anordning, bestående av ett mikrofluidiskt PDMS-chip bunden till ett glasöverdrag. Tillverkningen av den mikrofluidiska anordningen kan uppnås genom konventionell gjutning av PDMS mot en kiselmastermunstycke och därefter bindning av PDMS med de imprintade mikrokanalerna mot en glasöverdrag.
För den framgå…
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner Schweiziska National Science Foundation (SNF) för ekonomiskt stöd genom projekt nr. 200021_160174.
High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
Silicon wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | Front surface: polished, back surface: etched |
Silicone Elastomer KIT (PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard 184 | – |
Chlorotrimethylsilane | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
Biopsy puncher | Miltex GmBH, Germany | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
Glass coverslip | Menzel-Glaser, Germany | BB024040SC | 24 mm × 40 mm, #5 |
Plasma generator instrument | Diener | Zepto B | Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W |
PTFE tubing | PKM SA, Switzerland | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS, roll of 100 m |
neMESYS Syringe Pumps | Cetoni GmbH, Germany | Low Pressure (290N) | – |
Disposable Cup | Semadeni, Switzerland | 8323 | PS, 200 ml |
Plastic Spatula | Semadeni, Switzerland | 3340 | L × W : 135 mm x 14 mm |
Disposable Scalpels | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
Disposable Syringes | VWR, Switzerland | 613-3951 | 5 ml, Discardit II |
Acetic Acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | 695092-500 | >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
1,3,5-benzenetricarbaldehyde | Aldrich-Fine Chemicals | 753491 | 97% |
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene | Tokyo Chemical Industry | T2728-5G | >93.0% |