Nature子刊：伯克利实验室研发出更稳定的COFs材料

图为于伯克利实验室分子铸造研究所拍摄的高分辨率的透射电子显微镜图片，展示了一片共价有机骨架(COFS)的纳米尺度(顶部)，一片化学修饰的COFS(底部)。图片来源:伯克利实验室

COFs(共价有机框架材料)因其特有的中空分子结构可以作为其他物质的选择过滤器或容器，而且还有其他的潜在应用；但也往往存在一个固有的问题：在恶劣的化学环境中很难维持保持COFs的网状结构。

传统的用构筑块连接成二维片状(2D）COF或三维体相(3D) COF的化学反应是可逆的，但这种可逆使COF内部的连接在某些化学环境中变得脆弱、不稳定，从而限制了COF材料在实际中的应用。

目前，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究团队利用几十年前发现的一种化学过程，使COFs之间的联系更加牢固，并赋予COFs新的特性，以扩展其应用范围。

“这是一种类似于编织和焊接的方法，”伯克利实验室分子铸造厂的研究员Yi Liu说，并领导其团队发现了加强COFs化学键连接薄弱的方法。

该研究小组的相关成果发表在《自然通讯》杂志上，其中详细介绍了该技术的工作原理。

“研究表明这些化学键对各种化学物质都非常稳定。即使是苛刻的条件下，也能保证化学键的稳定，比文献中报道的还要稳定。”相关研究人员说。

化学转化使COFs之间的化学键更有用，例如，改变它们的电子和光学特性。反应后它们间可以更容易地转移电子，因此这些强结合的COFs的二维片层就更像石墨烯，成为另一种具有独特的光电特性的2D材料。

分子铸造研究所的博士后研究员，同时也是该文章的第一作者Xinle Li说：“虽然这个反应过程早在20世纪60年代就被报道过，但是现在我们又赋予这个反应过程新的意义，第一次把它应用到COFs上。”

COFs之所以被大量研究，是因为其高度可调的结构，并且可以完全由轻元素组成，如碳、氢、氮和氧，而不像MOFs(金属有机骨架材料)中含有较重的元素。科学家们可以制造出孔径不同的COFs，从而调控其功能，改变其通过率，或者改变这些孔径中包含的组分。

因此COF基材料在过滤水时不需要依靠化学物质就能发挥作用，例如，降低二氧化碳含量并转为其他有附加值的化学产品，或作为其他类型化学过程的高效促进剂。

这项研究的一个重要方面是利用先进的成像技术，比如在分子铸造研究所使用高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)来观察结合的COFs的结构。

研究人员说，获得的图像清晰展示了二维COFs的蜂窝状晶格，是迄今为止COFs获得的最好的图像之一，证实了COFs中的化学变化还不到1纳米。而且反应前后的孔径变化大约只有0.3纳米；我们可以在反应前后看到这些差异。

为了进行化学修饰，研究人员将COFs放在加热至大约230华氏度的溶液中，然后开始搅拌。研究人员表示，这应该有利于扩大COF材料的数量，该团队已经尝试用COF片层和其他材料组合获得特定的功能。

该团队正计划测试如何更好地自动化生产这种COF材料，并寻找使反应过程更有效的方法。该小组将继续探索相关理论，以便帮助理解和改进COF化学。

李研究员说，“我们希望这个化学修饰过程可以更快更好，即使在更温和的反应条件下，也能进一步增加COFs的化学稳定性和功能性。”

该团队的工作是分子铸造研究所新项目的首批成果之一，项目旨在推进“组合纳米科学”，重点是使用高通量过程、结合理论和成像技术,创建和研究新材料中具有增强性能的纳米结构。

备注：1.COF（Chip On Flex, or, Chip On Film,常称覆晶薄膜），将驱动IC固定于柔性线路板上晶粒软膜构装技术，是运用软质附加电路板作封装芯片载体将芯片与软性基板电路接合的技术。

2.COFs材料：共价有机骨架聚合物（Covalent organic frameworks）简称COFs，是以轻元素C、O、N、B等共价键链接而构建，经热力学控制的可逆聚合形成的有许多空结构的晶态材料。

3.MOFs是金属有机骨架化合物（英文名称Metal organic Framework）的简称。是由无机金属中心（金属离子或金属簇）与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOFs是一种有机-无机杂化材料，也称配位聚合物(coordination polymer)，它既不同于无机多孔材料，也不同于一般的有机配合物。兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。

原文来自sciencedaily，原文题目：New competition for MOFs: Scientists make stronger COFs，由材料科技在线团队翻译整理。