COF-1 ως υλικό 2-D με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές
Η αναζήτηση για δισδιάστατα (2D) υλικά, ξεκινώντας με το γραφένιο το 2004, παραμένει ισχυρή. Ενώ το γραφένιο διατηρεί τον τίτλο του ισχυρότερου στερεού, η έντονη έρευνα έχει δείξει ότι δεν είναι κατάλληλο για κάθε χρήση. Για παράδειγμα, η απενεργοποίηση του ρεύματος που ρέει μέσω των τρανζίστορ γραφενίου έχει αποδειχθεί αρκετά δύσκολη. Επιπλέον, το γραφένιο υψηλής ποιότητας στερείται πόρων, γεγονός που το εμποδίζει να επιτύχει ορισμένες εφαρμογές.
Αντίθετα, είναι δυνατό να αλλάξουμε τα μεγέθη των πόρων σε άλλα δισδιάστατα υλικά απλά τεντώνοντάς τα. Αυτό επιτρέπει σε κάποιον να ελέγχει μηχανικά τη διαπερατότητα των μεμβρανών 2D σε διάφορα αέρια, υγρά και ιόντα. Αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε, για παράδειγμα, να χρησιμοποιηθεί για την αφαλάτωση του νερού ή τον διαχωρισμό αερίων. Τα μεμονωμένα στρώματα COF-1 είναι ένα παράδειγμα πορώδους δισδιάστατου υλικού, που ανήκει στην οικογένεια οργανικών στερεών Covalent Organic Framework.
Σε μια πρόσφατη δημοσίευση, συγγραφείς από το Τέξας και τη Βραζιλία βρήκαν ένα άλλο κόλπο που μπορεί να παίξει σε αυτό το υλικό:να επιμηκύνει αρκετά το COF-1 και η πρόσφυσή του μειώνεται. Τα αναφερόμενα αποτελέσματα προέκυψαν με συνδυασμό κλασικών και κβαντικών προσομοιώσεων υπολογιστή.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ της παραμόρφωσης και της πρόσφυσης στο COF-1 προέρχεται από δομικές αλλαγές που προκαλούνται από την εξωτερική τάση. Ωστόσο, πριν εξηγήσουμε αυτό το αποτέλεσμα, είναι σημαντικό να υπενθυμίσουμε ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, σημειώστε ότι το τράβηγμα ενός στερεού κατά μήκος μιας κατεύθυνσης συχνά προκαλεί συστολή σε εγκάρσιες κατευθύνσεις, όπως φαίνεται όταν τεντώνει κανείς ένα λάστιχο. Δεύτερον, παρατηρήστε στο σχήμα 1a ότι η ατομική δομή του COF-1 είναι μάλλον περίεργη, καθώς αποτελείται από μεγάλους πορώδεις δακτυλίους που, με τη σειρά τους, αποτελούνται από μικρότερους δακτυλίους που συνδέονται με απλούς δεσμούς.
Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ποιοτική κατανόηση της απόκρισης του COF-1 στη μηχανική παραμόρφωση. Όταν η καταπόνηση είναι χαμηλή, το υλικό συρρικνώνεται εύκολα πλευρικά μέσω της μείωσης του μεγέθους των πόρων. Ωστόσο, η μείωση των πόρων φέρνει τελικά τα άτομα σε επαφή, οδηγώντας σε απώθηση, η οποία εμποδίζει την πλευρική συστολή. Για ακόμη μεγαλύτερες τιμές παραμόρφωσης, είναι δυνατός ο περιορισμός της απώθησης, επιτρέποντας παράλληλα την πλευρική συστολή με μερική μετατόπιση ατόμων εκτός του αρχικού επιπέδου, μέσω περιστροφών δακτυλίου. Πράγματι, εάν η εξωτερική καταπόνηση είναι μεγαλύτερη από 15%, η βελτιστοποιημένη δομή COF-1 είναι μη επίπεδη, βλέπε σχήμα 1β.
Τέλος, θυμηθείτε ότι η έλξη μεταξύ COF-1 και άλλων υλικών προκύπτει από μη συνδεδεμένες αλληλεπιδράσεις στη διεπιφάνειά τους, και έτσι η πρόσφυση αυξάνεται με την επιφάνεια επαφής. Σε μεγάλες τιμές παραμόρφωσης, η στιβαρή, μη επίπεδη δομή του COF-1 εμποδίζει την επαφή με άλλα υλικά, μειώνοντας την πρόσφυση – βλέπε σχήμα 1γ. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτής της δομικής αλλαγής είναι ότι διατηρεί όλους τους χημικούς δεσμούς. Ως εκ τούτου, η αφαίρεση της τάσης επαναφέρει το COF-1 στην επίπεδη του μορφή.
Για να απεικονίσουν μια πιθανή χρήση για την ελεγχόμενη από παραμόρφωση προσκόλληση, οι συγγραφείς ανέφεραν πρόσθετες προσομοιώσεις κλασικής μοριακής δυναμικής, όπου χρησιμοποίησαν το φαινόμενο για να μετακινήσουν ένα κομμάτι γραφενίου. Σε αυτούς τους υπολογισμούς χαμηλότερης ακρίβειας, η πρόσφυση αυξήθηκε με την καταπόνηση αντί να μειώνεται (όπως στους πιο ακριβείς υπολογισμούς). Ωστόσο, η ιδέα θα πρέπει να λειτουργεί όσο η πρόσφυση αλλάζει με την επιμήκυνση. Η παρακάτω ταινία συμπυκνώνει τα αποτελέσματα της μοριακής δυναμικής.
Η παραπάνω τροχιά απεικονίζει τη δυνατότητα μετακίνησης 2D υλικών μέσω του μηχανικού ελέγχου της πρόσφυσης. Στη μακροκλίμακα, μηχανικά ερεθίσματα χρησιμοποιούνται συχνά και για τη μετακίνηση μικρών αντικειμένων – σκεφτείτε το τσιμπιδάκι. Υπό αυτή την έννοια, μεμονωμένα στρώματα COF-1 λειτουργούν ως λαβίδες νανοκλίμακας, συλλέγοντας και απορρίπτοντας ατομικά λεπτά στερεά μέσω επιλεκτικής εφαρμογής παραμόρφωσης.
