연동 분자의 새로운 '체인 메일' 소재는 견고하고 유연하며 쉽게 만들 수 있습니다.

[아름이]

연동 분자의 새로운 '체인 메일' 소재는 견고하고 유연하며 쉽게 만들 수 있습니다.
항공기, 갑옷 및 기타 탄력적 요구에 잠재적으로 사용할 수 있는 카테난을 만드는 새로운 공정
날짜:
2023년 1월 18일
원천:
캘리포니아 대학교 - 버클리
요약:
카테난(중세 사슬 갑옷과 유사한 연동 분자로 만들어진 재료)은 25년 전에 발견된 이후로 만들기 힘든 것으로 입증되었습니다. 이제 화학자들은 단일 화학 단계에서 무제한의 카테난을 만드는 방법을 발견했습니다. 망상 화학을 사용하여 유연하고 견고한 3D 네트워크를 만들기 위해 공유 결합 유기 구조를 수정했습니다. 이러한 catena-COF는 유연성과 탄력성이 필요한 갑옷, 항공기 또는 의류 등 어디에나 유용할 수 있습니다.

버클리 캘리포니아 대학의 화학자들은 수백만 개의 동일한 연동 분자로부터 새로운 유형의 물질을 만들어 처음으로 중세 시대를 보호했던 사슬 메일처럼 유연하고 강하며 탄력 있는 광범위한 2D 또는 3D 구조를 합성할 수 있게 했습니다. 기사.

무한 카테난(infinite catenane)이라고 불리는 이 물질은 단일 화학 단계로 합성될 수 있습니다.

프랑스 화학자 Jean-Pierre Sauvage는 최초의 카테난(두 개의 연결된 고리)을 합성한 공로로 2016년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 이러한 구조는 종종 분자 기계라고 불리는 분자 구조가 움직일 수 있도록 만드는 기초 역할을 했습니다.

그러나 카테난의 화학적 합성은 힘들게 남아 ​​있습니다. catenane에 각 추가 링을 추가하려면 또 다른 화학 합성이 필요합니다. Sauvage가 2개의 고리 카테난을 만든 이후로 24년 동안 화학자들은 전자현미경 없이는 볼 수 없을 정도로 작은 양의 얽힌 고리를 기껏해야 130개에 불과했습니다.

UC Berkeley 화학과 교수인 Omar Yaghi의 실험실에서 생산된 새로운 유형의 카테난은 3차원에서 무제한으로 연결된 단위로 생산될 수 있습니다. 개별 단위가 기계적으로 맞물리고 화학 결합으로 연결되지 않기 때문에 구조가 깨지지 않고 구부릴 수 있습니다.

Yaghi, the James and Neeltje는 "우리는 이것이 깨지지 않는 견고한 재료를 만드는 것뿐만 아니라 로봇 공학, 항공 우주 및 장갑복 등에 들어가는 재료를 만드는 측면에서 이것이 정말 중요한 의미가 있다고 생각합니다."라고 말했습니다. Tretter 화학과 석좌 교수, Kavli Energy NanoSciences Institute 및 BASF의 California Research Alliance의 공동 책임자, UC Berkeley의 Bakar Institute of Digital Materials for the Planet의 수석 과학자.

UC Berkeley 박사후 연구원인 Tianqiong Ma를 포함한 Yaghi와 그의 동료들은 이번 주 Nature Synthesis 저널에 화학 공정의 세부 사항을 보고 했습니다.

망상 화학

카테난 생산의 도약은 Yaghi가 30년 이상 전에 발명한 화학 유형인 망상 화학을 사용하여 가능합니다. 그는 그것을 "강력한 결합에 의해 분자 빌딩 블록을 결정질의 확장된 구조로 꿰매는 것"이라고 설명합니다.

이 기술을 사용하여 그는 이산화탄소, 수소 및 수증기와 같은 가스를 포집, 저장 또는 분리하는 데 유용한 금속-유기 골격(MOF) 및 공유 유기 골격(COF)과 같은 저렴한 다공성 물질을 만들었습니다. 현재까지 100,000개 이상의 다양한 MOF가 만들어졌습니다.

MOF를 만들려면 올바른 하이브리드 분자(유기 리간드에 연결된 금속 클러스터)를 합성하고 용액에서 혼합하여 단단하고 다공성이 높은 3D 네트워크를 형성하기만 하면 됩니다. 프레임 워크 내부의 화학 그룹은 온도에 따라 특정 분자를 결합 및 방출하고 다른 분자는 거부하도록 선택됩니다.

Yaghi가 만든 하나의 MOF는 가장 건조한 공기에서도 물을 끌어올 수 있고 가열되면 물을 방출하여 사막에서 물을 포착할 수 있습니다.

카테난을 만들기 위해 Yaghi와 Ma는 구리 원자로 공유 결합된 두 개의 동일한 반쪽이 교차하는 분자를 합성했습니다. 그들이 catena-COF라고 부르는 구조는 구리 원자가 교차하는 두 개의 연결된 부메랑을 연상시킵니다. 혼합되면 이러한 분자가 연결되어 서로 연결된 빌딩 블록의 다공성 3D 네트워크를 형성합니다. 아다만테인(adamantane)이라고 불리는 다면체 분자의 한 유형인 빌딩 블록은 기본적으로 확장된 프레임워크를 형성하기 위해 6개의 팔을 잠급니다.

Yaghi는 "여기서 새로운 점은 건물 단위에 이러한 교차점이 있다는 것입니다. 교차점 때문에 흥미롭고 유연하며 탄력적인 특성을 가진 연동 시스템을 얻게 됩니다."라고 말했습니다. "그들은 한 단계로 함께 모이도록 프로그램되어 있습니다. 이것이 망상 화학의 힘입니다. 더 큰 구조를 만들기 위해 한 번에 한 단위씩 쌓는 대신 실제로 함께 모여 스스로 성장하도록 프로그래밍했습니다. ."

교차점이 있는 분자는 최종 카테난이 특정 화합물과 상호 작용하도록 화학적으로 변경될 수 있습니다. Yaghi는 무한대 기호를 사용하여 이러한 재료(∞)를 catenanes라고 부릅니다.

"나는 그것이 특정 동작과 같은 자극에 반응하여 구부러지고 잠재적으로 강화될 수 있는 재료를 만드는 첫 번째 단계라고 생각합니다."라고 그는 말했습니다. "따라서 특정 방향에서는 매우 유연할 수 있고 특정 다른 방향에서는 구조가 구축되는 방식 때문에 뻣뻣해질 수 있습니다."

그는 이러한 카테난이 미세한 수준에서 세 방향으로 확장되지만 의류와 같이 2차원 용도로 충분히 얇게 만들 수 있다고 언급했습니다. 최근 일부 과학자들은 3D 프린팅으로 MOF 및 COF를 생성했다고 보고했으며, 따라서 천을 짜는 것과 마찬가지로 카테난을 3D 프린팅하는 것도 가능할 수 있습니다.

"전통적으로 이러한 연동은 하나 또는 두 개 또는 세 개의 연동 고리 또는 다면체를 가진 분자만 만들기 위해 다단계의 힘든 과정을 통해 이루어졌습니다. 그러나 인성과 탄력성과 같은 놀라운 특성을 가진 재료를 만들기 위해서는 수백만 달러가 필요합니다. 이러한 연동이 이루어질 것"이라고 말했다. "그것을 만드는 전통적인 방법은 그것을 자르지 않습니다. 그리고 망상 화학은 빌딩 블록 접근 방식과 함께 제공되며 한 단계에서 수행하는 방법을 찾습니다. 이것이 바로 이 보고서의 힘입니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/