时讯:科学家构筑全碳链接的三维COF薄膜，实现分子尺度的无缝衔接，为合成高精度薄膜提供新思路
2023-09-17 22:30:08
原标题：科学家构筑全碳链接的三维COF薄膜，实现分子尺度的无缝衔接，为合成高精度薄膜提供新思路
来源：DeepTech深科技
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“在瑞典加班非常罕见，原则上是受到限制的，我得先汇报课题的特殊性，获得许可之后才能加班。
”说这话的是瑞典哥德堡大学博士后杨一洲。
图 | 杨一洲（来源：杨一洲）一次次地申请加班，也让他收获了一篇 JACS 一作论文。
研究中，他和所在团队实现了多层三维共价有机框架（COF，covalent organic frameworks）薄膜的可控合成，通过巧妙使用连续流模板法，他们构筑了全碳链接的三维 COF 膜，实现了动力学过程的实时记录。
在一张膜中精确控制功能区的划分，具有里程碑式的意义。
这预示着人们能够构筑更加精巧的多层三维 COF 膜，从而开发基于复杂功能的应用。
此次方法甚至可以拓宽到各种 COF 材料以及其他多孔材料中，故能给 COF 领域的薄膜高精度合成提供新的思路，也为 COF 膜内的功能区集成创造了新的可能。
在目前的论文中，杨一洲等人只做了概念性的功能区划展示。
后续在具体应用之中，可以根据需求针对不同层组分的材料进行赋能。
举例来讲，多层 COF 膜可以用于连续分离技术，由于不同层次的组分具有不同的选择性，因此以往需要多个分离步骤的复杂体系，现在只需要一张 COF 膜就可以实现，这能极大提高作业效率，将给石油工业、水处理等行业带来重要意义。
再举个例子，多层 COF 膜也能用于工业合成中的连级催化和新型集成电路等。
同时，由于 COF 材料本身具有高度的可设计性，故其潜在功能领域非常广阔。
当然 COF 作为一类新材料，整个领域依旧处于基础研究阶段，所有研究成果仍然等待接受实际具体场景的考验，要想实现产业化还有很长的路要走。
（来源：JACS）一张薄膜的多个功能实验数据填满一整个 8G U 盘
回到本次工作来说，此次研究并非一个孤立的课题，而是课题组整个研究计划体系里的一个子课题。
杨一洲表示：“单就这个子课题来说，它所带来的阶段性成果不是非常明显。
但是，从整个体系的研究过程来看，阶段性意义则是非常清晰。
”
从 2019 年起，杨一洲的导师布置下来一个任务：启动一项围绕 COF 薄膜的研究。
那时，学界针对二维 COF 薄膜已经取得相当不错的进展。
不过，针对三维 COF 薄膜的报道依旧处于空白状态。
二维 COF 本身分子层面的结构就是层状。
但是，三维 COF 结构是立体框架，受到热力学规律的影响，它在生长的时候会朝着三维空间延伸。
这时，要想制备薄膜就需要额外的动力学控制，以便进行平面化的生长诱导，难度系数可谓十分之高。
挑战也预示着机遇，当时杨一洲和合作导师 Karl Börjesson 教授耗时一个月讨论研究计划。
“那段时间我们每天都开会，期间拆解了主要矛盾，制定了研究解决方案，确定了研发三维 COF 薄膜技术的目标。
”杨一洲说。
他继续说道：“不得不说，决定去啃这块硬骨头还是挺需要勇气的。
因为传统合成方法不能进行动力学控制，这时就得开发新的合成方法。
”
为此，他们采用流动相石英微天平作为动力学控制的工具。
这套仪器的好处在于动态物料供给都由程序化加以控制，而且薄膜生长过程可以实时监控。
万事开头难，在科研活动中人员和仪器也需要一定的磨合期。
杨一洲说：“漫长的磨合期持续大概一年半，后来我们总算透彻地摸清了仪器的‘脾气’。
”
在这一年多的时间里，虽然课题组并没有研究产出，但是拷贝出来的练习实验数据填满一整个 8G U 盘，而这背后对应着几百次的实验。
经历磨合期之后，杨一洲开始逐渐产出科研成果。
2021 年，该团队成功制备了三维 COF 薄膜 [2]，接着他们又发表了自支撑的三维 COF 膜相关论文 [3]。
本次多层膜的工作与前两个工作可谓一脉相承，也算是前两个工作的升级。
此外，课题组还通过液-液界面方法制备了大面积的三维 COF 薄膜 [4]。
（来源：JACS）“不加班还看不到这个景呢”
期间最让杨一洲印象深刻的莫过于加班了。
他说：“由于课题需要进行动力学控制，反应速率有时需要压得很低，这就导致单次制备的时间长达十几个小时。
为了实时把控实验动态，就得一直盯着仪器，所以我经常早上六点就去上班，过了晚上六点同事们都下班了，而我还在实验室。
”
有一次，他的德国同事早上来上班看见杨一洲之后，前者故作惊讶地说：“我昨天晚上走的时候你在这儿，现在你还在这儿，你难道从来不睡觉吗？”
杨一洲只能耸耸肩苦笑应对这德式幽默了。
他说：“有时到了攻坚阶段，难免工作到深夜才回家，困眼惺忪地坐在空旷的老式有轨电车上，咣当咣当经过哥德堡 Göta 河上的长桥，外面一片漆黑，唯独两岸的灯光沿着河影影绰绰错落有致，像走进宫崎骏的动画一样。
那时候就安慰一下自己，不加班还看不到这个景呢，算是苦中作乐了。
”
同时，对于自己的老朋友奥斯汀·M. 伊万斯（Austin M. Evans），杨一洲表示要特别予以感谢。
他说：“这个工作由于欧洲新冠疫情曾停摆过很久，课题刚开始时 Austin 即将拿到博士学位。
如今论文发表之时，他已经是美国佛罗里达大学的独立 PI。
衷心地感谢他在研究中给予的帮助和耐心。
”
（来源：JACS）如前所述，本次研究是系统性计划中的成果之一。
之前几年，杨一洲和所在团队主要把精力放在三维 COF 薄膜技术开发。
如今，研究层面的技术逐渐成熟，因此他们要往实用性和应用化上推进。
关于实用性，课题组的目标是把薄膜技术从 1cm 的石英晶振片载体拓展到多种基底上，做到更大的薄膜面积以便满足各种下游的需求。
关于应用化，课题组的目标是对 COF 薄膜进行赋能，基于连续的多孔晶态膜和相应的官能团，以生产生活中的实际问题为导向，开发具体的新功能。
“在这其中有些计划目前正在实施过程中，有些正处于筹备阶段。
”杨一洲表示。
参考资料：
1.Yang, Y., Ratsch, M., Evans, A. M., & Börjesson, K.（2023）. Layered 3D Covalent Organic Framework Films Based on Carbon–Carbon Bonds.Journal of the American Chemical Society.
2.Small 2021，17，2103152
3.Chem 2022，8，2217
4.Nat.Commun.2023，14，220
本文《科学家构筑全碳链接的三维COF薄膜，实现分子尺度的无缝衔接，为合成高精度薄膜提供新思路》介绍到此结束，感谢阅读。
