水分子大用处！高温高压条件替代有毒染料更环保

靛蓝染料在室温下是完全防水的。水雾很容易形成水珠滴落 图片来源：© TU Wien

它们不仅因其光芒四射和强烈的色彩而令人印象深刻，而且具有重要的技术意义：有机染料是一类具有极其特殊性质的材料。从平面屏幕到电子纸到芯片卡：未来，许多技术都可能基于这些有机分子。

以前，这些材料只能用复杂的合成方法来制备，而且所使用这些合成方法对环境是极其有害的。然而，TU Wien的研究人员已经成功地用一种全新的、不同的方式成功地合成了这类材料的典型代表：有毒溶剂已经被普通水所取代。但这是怎么做到的呢？当水被加热到极高温度时，其性质会发生显著变化。新制备方法的细节最近发表在科学期刊Angewandte Chemie上。

水的性质可以在不需要添加剂的情况下发生改变

“如果实际上你想倾听你最初的直觉，你会怀疑水是合成和结晶这些分子所能想象的最差的溶剂，”TU Wien材料化学研究所的Miriam Unterlass说。“这种期望的原因是我们所生产的染料是具有极强的防水性。”例如，如果你把少量的水滴在一些干燥染料粉末上，水滴就会滚落而不是与染料混合。

但是这种行为仅仅适用于我们日常使用的水的性质。然而，TU Wien的研究人员使用特殊压力容器将水加热到至少180°C。容器中的压力急剧上升，因此尽管温度很高，大部分水任然保持液体状态。在这样的条件下，水的化学和物理性质都发生巨大的变化。

氢键过热

“低温、液态水的性质强烈地被所谓的氢键影响，”Miriam Unterlass解释道。这些是不断破碎和重组的水分子之间的弱键。“平均而言，每个水分子在室温下随时与三个或四个其他水分子相连。在压力容器中，每个分子之间氢键的数量减少。

“这也意味着相比于标准条件下，更多的离子存在于高温水中—一定量的H2O分子可以变成H₃O 或OH，”Miriam Unterlass解释道。这在很大程度上改变了水的性质：在某种意义上，它同时表现为酸和碱—它既可以作为酸性催化剂，也可以作为碱性催化剂，从而加速某些反应，甚至可以使反应开始。

除此之外，在高温下水中离子数量的增加是使得在正常条件下完全不溶的有机物质溶解的关键原因。因此，研究所研究的染料分子不仅可以在水中合成，而且还可以结晶：它们在足够高的温度下溶解，然后在冷却时结晶。

通常，需要有毒溶剂来制备或结晶这种染料。然而，在我们的实验中，采用纯水所需的溶剂性质—所需要的只是压力和热量。”Miriam Unterlass说。

未来电子产品中的晶体

“在高度结晶状态下 - 即在分子水平上处于高度有序 - 这些材料的电子特性得到改善。因此，在有机电子学中的应用对于结晶过程具有高度的控制是特别重要的。”Unterlass强调。

然而，对于所获得的晶体，也有一些相当不同的潜在应用。它们可以用于染料要求相当苛刻的地方，”Unterlass说。“其中一种就是应用于汽车油漆，或其他极端化学方向或热条件普遍存在的领域，因为材料变得更加稳定，结晶越多。”

文章来源于sciencedaily网站，由材料新闻在线团队编译，原文题目：Amazingly 'green' synthesis method for high-tech dyes