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晶体2D集结物的自下而上合成

  德累斯顿工业大学先进电子中心的科学家首次通过自下而上的方法成功地合成了片状2D聚合物。为此目的,开发了一种新颖的合成反应路线D聚合物仅由几个单原子层组成,由于其非常特殊的性能,是用于新一代电子元件和系统的有前途的材料。该研究结果是德累斯顿理工大学和乌尔姆大学几个小组的共同工作,并于本周在科学杂志“自然化学”和“自然通讯”的两篇相关文章中发表。

  自从赫尔曼施陶丁格(Hermann Staudinger)在1920年发现线性聚合物以来,合成科学家就一直梦想将聚合反应扩展到第二维。二维(2D)聚合物是一种片状单分子大分子,由横向连接的重复单元组成,这些重复单元的所有边缘均具有端基。考虑到构件(即单体)的巨大化学和结构多样性,二维聚合物在为下一代应用量身定制的合理材料设计中具有广阔的前景,例如膜分离,电子,光学设备,能量存储和转换等。然而,尽管上个世纪合成化学取得了长足的发展,具有自定义结构的2D聚合物的自下而上的合成仍然是一项艰巨的任务。

晶体2D集结物的自下而上合成

  自2014年以来,德累斯顿工业大学和乌尔姆大学的一群科学家共同努力实现了这个有趣而又具有挑战性的目标。由冯新亮教授(杜累斯顿大学)领导的研究小组创新地开发了一条新颖的合成路线:使用表面活性剂单层作为软模板来指导单体的超分子组织以及随后的空气-水界面二维聚合。现在将该合成方法称为表面活性剂-单层辅助界面合成(SMAIS)。通过SMAIS方法,张涛博士合成了横向尺寸约为50 cm2,厚度可调(2.6-30 nm)的准2D聚苯胺晶体薄膜。优异的电荷传输性能以及对氨和挥发性有机化合物的化学耐受性使准2D聚苯胺薄膜成为薄膜有机电子产品的有希望的电活性材料。为了进一步挖掘SMAIS的潜力,刘克俊先生,张涛博士,郑志坤博士和董仁浩博士首次实现了高度结晶的几层2D聚酰亚胺和聚酰胺的受控合成。2D聚合物的厚度只有几纳米,可以轻松转移到任意基材上,这为将2D聚合物集成到下一代设备和系统中提供了令人兴奋的机会。董仁豪首次实现了高结晶度的几层二维聚酰亚胺和聚酰胺的可控合成。2D聚合物的厚度只有几纳米,可以轻松转移到任意基材上,这为将2D聚合物集成到下一代设备和系统中提供了令人兴奋的机会。董仁豪首次实现了高结晶度的几层二维聚酰亚胺和聚酰胺的可控合成。2D聚合物的厚度只有几纳米,可以轻松转移到任意基材上,这为将2D聚合物集成到下一代设备和系统中提供了令人兴奋的机会。

  随着合成前沿的关键发展,由Ute Kaiser教授(Uni Ulm)领导的透射电子显微镜小组提供了联合研究的另一个必不可少的基础。由于像差校正的发展,高分辨率TEM成像已成为一种强大的技术,可用于低至原子级的结构表征。然而,含氢有机材料极易在电子束下发生结构分解,这使2D聚合物的HRTEM成像成为一项非常艰巨的任务。通过利用球差校正的HRTEM,齐浩远博士成功地揭示了合成二维聚合物的微观形貌,分子结构,晶界和边缘结构:这一成就在文献中鲜有报道。

  分子结构和整体结晶度已通过同步加速器掠入射X射线散射得到进一步阐明(有机设备主席,德累斯顿工业大学教授Stefan Mannsfeld教授)。Thomas Heine教授(德累斯顿大学)小组提供了密度函数紧密结合计算,这为合成2D聚合物的原子结构提供了重要见解。

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