Химики впервые создали упорядоченные двухмерные полимеры

В обычных полимерах структурные единицы повторяются в виде линейной цепи (вверху), а в новых – заполняют плоскость регулярной мозаикой (внизу) (фото Schlüter Research Group / ETH Zurich).

Учёные заставили звенья вещества уложиться в плоский ковёр молекулярной толщины. Авторы изобретения сравнивают его с открытием графена, но новые соединения – куда более сложные. К тому же их строение можно корректировать в широких пределах.

Специалисты швейцарских федерального технологического института (ETH Zürich) и лаборатории материаловедения и технологии (EMPA) разработали и испытали новую методику полимеризации. В ней исходные мономерные звенья представляют собой фигурные плитки нанометрового масштаба и укладываются в плоский и, что важно, периодический узор.

Один из применённых исходных мономеров. Эфир (цикло три(5’-гидроксиметил-5,5’’-диметил-3,3’’-(1,1’:3’,1’’-терфенилен))-альт-(1,8-диэтинилантрацен))бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты. Формула C126H78O6 (иллюстрация Patrick Kissel et al./ Nature Chemistry).

Чтобы химические связи в таком полимере не заставляли его изгибаться и выходить «в третье измерение», учёным пришлось тщательно подбирать строение мономерных блоков. Их ковалентные связи должны были смотреть в нужном направлении и сами обеспечивать сборку регулярной мозаики.

В качестве исходных кирпичиков химики опробовали несколько вариантов массивных органических молекул, состоящих из десятков или сотен атомов. Причём эти молекулы были наделены фотохимической чувствительностью.

При облучении светом с длиной волны 470 нанометров мономеры вступали в реакцию полимеризации, создавая кристаллы с плоскими молекулярными слоями. Размер отдельных кристаллов достигал 50 микрометров (в дальнейшем учёные намерены нарастить эту величину).

Полимерные кристаллы и плоские молекулярные узоры, которые их сформировали (фото Patrick Kissel et al./ Nature Chemistry).

Идеальное выравнивание каждой плоскости обеспечивалось тем, что для созданных учёными молекулярных плиток именно такое взаимное расположение оказывалось энергетически выгодным.

Далее исследователи помещали крохотные кристаллы в специально подобранный растворитель, который отделял друг от друга двухмерные молекулярные слои.

Так получались кусочки полимера поперечником в несколько микрометров. Хотя это кажется очень небольшой величиной, на молекулярном уровне такие соединения представляли собой бескрайние поля. Ведь толщина их составляла считанные нанометры.

Кусочки двухмерных полимеров на подложке из слюды. Снимки атомного силового микроскопа. Некоторые образцы сохранили шестиугольную форму от кристаллов, которые был разобраны на такие молекулярные хлопья (фото Patrick Kissel et al./ Nature Chemistry).

Двухмерные молекулярные коврики оказались очень чувствительны к облучению, так что экспериментаторам пришлось изрядно повозиться, чтобы заснять их строение с помощью просвечивающего электронного микроскопа, не повредив образцы. В частности химики охлаждали молекулы до криогенных температур.

Так выяснилось, что новые полимеры действительно обладают точным периодическим рисунком, в отличие от прежних полимеров, демонстрирующих или линейное строение, или ветвистый рисунок, или хаотичное, непериодическое соединение отдельных звеньев-мономеров.

Полученные швейцарцами вещества обладают огромной степенью полимеризации. На снимке с просвечивающего электронного микроскопа показан фрагмент молекулярного ковра. Каждое светлое пятно – единичная плитка-мономер (фото Empa / ETH Zürich).

Путём подбора тех или иных исходных молекул с новой технологией можно создавать плоские полимеры с заданным расположением атомов. Интересно, что в таких материалах присутствуют отверстия нанометрового масштаба. Потому новый тип веществ представляет собой прекрасное молекулярное сито, которое может быть очень избирательным.

Более того, после синтеза такого полимера его ещё можно дополнительно модифицировать. Например, как сообщают авторы исследования, при помощи химических реакций из плоскости можно вырезать бензольные кольца с отдельными эфирными группами. Таким путём можно получать «мономолекулярные» сита с желаемым размером пор, уверены швейцарские новаторы.

(Подробности работы можно найти в статье в Nature Chemistry.)



Химики создали бронзовую атомарную матрёшку

9 февраля 2012

Десятилетняя девочка изобрела новое взрывчатое вещество

8 февраля 2012

Физики изобрели деликатную сварку нанопроводов светом

8 февраля 2012

Учёные создали электронную память из ДНК лосося

2 февраля 2012

Учёные впервые сделали объект невидимым со всех сторон

26 января 2012
  • Павел Капитанов  14 февраля, 14:25
    --
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 февраля, 14:29
    +-
    ОтветитьНравится
  • Павел Капитанов  14 февраля, 14:39
    Это были не минусы. Это был намек на 20 лет назад и болгарию.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 февраля, 14:44
    Да ладно, оставьте.
    Лучше скажите по существу. Вам нравится эфир (цикло три(5’-гидроксиметил-5,5’’-диметил-3,3’’-(1,1’:3’,1’’-терфенилен))-альт-(1,8-диэтинилантрацен))бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты?
    ОтветитьНравится
  • Павел Капитанов  14 февраля, 14:47
    Очень.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Федотов  14 февраля, 15:14
    возможной канцерогенностью при деполимеризации ...
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  14 февраля, 17:24
    Кстати, многослойный бутерброд из листов графена и такого полимера — самая эффективная технология накопителей энегии на десяток лет обозримого будущего:)
    ОтветитьНравится
  • Роман Новотoрцeв  14 февраля, 15:01
    Мне не нравится. Это очень хорошая теоретическая работа, но смысл в ней небольшой — показ Принципиальной возможности двумерного полимера. А такая возможность никем и не оспаривалась )

    Навскидку, более интересный вариант — плоская сшивка мнономолекулярных цепочек в «сеть», используя подборку хвостовых груп для вторичной полимеризации....

    ОтветитьНравится
  • Сергей Иорданишвили  14 февраля, 15:11
    Ну здесь не только теория, но и экспериментальная практика. К тому же молекулярное сито это здорово. Уверен применение ему найдется. К тому же ведь еще не изучены все свойства, а лишь заявлена сама возможность. Да и правильная «самосборка» плоскости за счет вычитанных ковалентных связей тоже достижение. Хотя и не из ряда вон выходящее)
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  14 февраля, 15:32
    Я тоже считаю что стоящая разработка. Представьте какими бы удивительными свойствами обладала бы деталь выполненая из аэрогеля, покрытая тысячей слоев двухмерного полимера. При том, что самосборка позволила бы микро дыры самозаделываться.
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  14 февраля, 15:21
    А при 300 градусах кельвина эти слои не тают?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 февраля, 15:27
    Да нет, вроде. Им нужно было охлаждение, чтобы просвечивать плоскости электронным микроскопом, который мог повредить образцы.
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  14 февраля, 15:33
    ну так вот и обычный солнечный свет тоже может повредить
    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  14 февраля, 16:02
    Нет, но ощутимо пьянеют. :) Как от семи с половиной бутылок водки (300/40=7,5) :)))

    А почему именно триста?

    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  14 февраля, 16:50
    Да-да-да. Структура на удивление стабильна. :) Фильтр исключительно фор найт юз онли (уж сорри за двуязычную тавтологию).
    Но это ж только начало пути?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 февраля, 17:30
    Максим Подболячный

    То что эти плоскости повреждает пучок электронов, не означает автоматом, что они тотчас распадутся от солнечного света.

    К тому же, вы такой фильтр в руках всё равно не подержите. Значит — нужно крепление, какой-то закрытый корпус с трубками, подводящими и отводящими поток (например газовой смеси). Откуда там свет?

    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  14 февраля, 17:43
    Между прочим! Я не просто этот фильт в руках могу подержать, я даже очень много этих фильтров могу в руках подержать. ;) Как ангелов на кончике иглы. ;)

    Но, кроме высокой чувствительности к электронному пучку и видимому свету, эта структура еще и весьма химически уязвима — и расслоить было легко растворителем и бензольные кольца выпиливать несложно... Что сильно ограничивает службу структуры как фильтра, не важно, в закрытой коробочке или нет. Хотя я ж и не говорю, что это мол, бессмысленно и ненужно. Наоборот, я нахожу открытие весьма перспективным и от скудомыслия выражаю свою радость единственным доступным мне способом — ерничанием. ;)

    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  14 февраля, 16:44
    ну для круглого счета
    ОтветитьНравится
  • ki   15 февраля, 00:17
    Вслушайтесь в фразу
    «Чтобы химические связи в таком полимере не заставляли его изгибаться и выходить «в третье измерение», учёным пришлось тщательно подбирать строение мономерных блоков. Их ковалентные связи должны были смотреть в нужном направлении и сами обеспечивать сборку регулярной мозаики.»

    Поражает даже не то что они сделали, а сама идея самособирающегося материала, структура которого заложена на уровне ковалентных связей, а результатами становятся макросокопические объекты (ну пусть даже несколько микрометров размером).

    Так мы скоро до самособирающихся нанолампочек Чубайса дойдём :)

    Жаль только что этим не в России занимаются и Чубайс деньги страны не на это тратит.

    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  16 февраля, 01:55
    Да над самосборками давно работает нано направление в науке.
    ОтветитьНравится
  • Роман Новотoрцeв  26 марта, 10:42
    Извините, но вся химия — это самосборка в некотором роде ;)
    ОтветитьНравится
  • ki   15 февраля, 00:19
    Респект и уважуха швейцарцам за идею и реализацию, а нам учиться надо... как обычно
    ОтветитьНравится
  • Владимир Беляев  15 февраля, 13:55
    для тонкопленочных СБ
    ОтветитьНравится