Synthèse à base de microfluidique des cadres organiques covalents (COF): un outil pour la production continue de fibres COF et l'impression directe sur une surface
Summary
Nous présentons une nouvelle méthode à base de microfluidique pour la synthèse de cadres organiques covalents (COF). Nous démontrons comment cette approche peut être utilisée pour produire des fibres continues de COF, ainsi que des structures COF 2D ou 3D sur les surfaces.
Abstract
Les cadres organiques covalents (COF) sont une classe de matériaux covalents poreux qui sont souvent synthétisés sous forme de poudres cristallines non transformables. Le premier COF a été signalé en 2005 avec beaucoup d'efforts axés sur la création de nouvelles voies synthétiques pour sa préparation. À ce jour, la plupart des méthodes de synthèse disponibles pour la synthèse COF sont basées sur le mélange en vrac sous des conditions solvothermiques. Par conséquent, il existe un intérêt croissant à élaborer des protocoles systématiques pour la synthèse du COF qui assurent un contrôle fin des conditions de réaction et améliorent la capacité de traitement des COF sur les surfaces, ce qui est essentiel pour leur utilisation dans des applications pratiques. Nous présentons ici une nouvelle méthode à base de microfluidique pour la synthèse de COF où la réaction entre deux blocs de construction constitutifs, 1,3,5-benzenotricarbaldéhyde (BTCA) et 1,3,5-tris (4-aminophényl) benzène (TAPB) Se déroule dans des conditions de diffusion contrôlées et à température ambiante. L'utilisation d'une telle approche produit des éponges, des crysFibres de talline d'un matériau COF, appelé ci-après MF-COF. Les propriétés mécaniques de MF-COF et la nature dynamique de l'approche permettent la production continue de fibres MF-COF et leur impression directe sur les surfaces. La méthode générale ouvre de nouvelles applications potentielles nécessitant une impression avancée de structures COF 2D ou 3D sur des surfaces souples ou rigides.
Introduction
Les cadres organiques covalents (COF) sont une classe bien établie de matériau cristallin et poreux dans lequel les blocs de construction organiques sont fermement maintenus ensemble par des liaisons covalentes 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Les COF sont généralement assemblés suivant des principes de chimie supramoleculaire, où les blocs de construction moléculaire constitutifs sont réagis sélectivement pour définir un assemblage final et pré-déterminé poreux. Une telle approche permet la synthèse de matériaux à structure contrôlée et ordonnée ( par exemple , avec des dimensions de pores définies) et la composition 3 , 6 , 7 , 8 . Par rapport aux autres matériaux poreux, les COF sont uniques puisqu'ils sont constitués d'éléments lumineux (C, H, B, N et O) et possèdent des poro réglables 1 , 5 . Inspiré par ces caractéristiques uniques et intrinsèques, les COF ont été évalués pour une application potentielle dans les séparations chimiques 9 , le stockage de gaz 10 et la catalyse 11 , les capteurs 12 , les optoélectroniques 13 , les technologies d'énergie propre 14 et les dispositifs d'énergie électrochimique 15 .
À ce jour, la grande majorité des méthodes utilisées pour la préparation des matériaux COF sont basées sur des réactions solvogènes d'autocondensation et de condensation, où les températures et les pressions élevées sont la norme. Bien que les COF soient thermiquement robustes, ils souffrent généralement d'une capacité de traitement limitée, c'est -à- dire que les COF sont généralement des poudres cristallines insolubles et non transformables, ce qui limite considérablement leur utilisation dans une gamme d'applications potentielles et pratiquesSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . Malgré les progrès remarquables réalisés dans la synthèse du COF, un défi majeur dans le domaine est de développer une méthode permettant la préparation de COF dans des conditions de réaction appropriées ( p . Ex . Température et pression), ce qui peut faciliter leur traitement sur les surfaces.
Récemment, des études ont montré que la chimie de base de Shiff peut être utilisée pour synthétiser un COF à base d'imine à température ambiante. La COF produite, nommée RT-COF-1, se forme en raison de la réaction rapide et efficace entre le 1,3,5-tris (4-aminophényl) benzène (TAPB) et le 1,3,5-benzenotricaraldéhyde (BTCA) 17 ( Figure 1A ). L'efficacité de cette méthode de synthèse a été démontrée par l'impression directe de motifs microniques et submicroniques de RT-COF-1 sur des surfaces rigides et souples utilisant une lithographie ouTechniques d'impression jet d'encre. Plus récemment, et en utilisant la microfluidique, nous avons démontré une approche efficace pour la synthèse continue des fibres du même COF à base d'imine ci-après appelé MF-COF 6 . Contrairement à d'autres approches synthétiques rapportées pour la génération de COF 18 , cette méthode de synthèse à base de microfluidique a permis la synthèse rapide des fibres MF-COF à température ambiante et des pressions en quelques secondes. En outre, et en raison de la stabilité mécanique des fibres de MF-COF synthétisées, nous avons démontré comment une telle méthode à base de microfluidique peut permettre l'impression directe de structures 2D et 3D sur les surfaces. Dans ce cas, nous démontrons que cette méthode peut être utilisée pour dessiner des structures COF sur différentes surfaces ayant des propriétés chimiques et physiques différentes. Nous croyons que cette nouvelle méthode ouvre de nouvelles avenues pour le modelage bien contrôlé et l'impression directe de COF dans différentes orientations et sur diverses surfaces.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode de synthèse à base de microfluidique présentée ici fournit une approche novatrice et simple pour l'impression directe de matériaux COF sur les surfaces. La synthèse est réalisée à l'aide d'un dispositif microfluidique monocouche, constitué d'une puce PDMS microfluidique liée à une lamelle de verre. La fabrication du dispositif microfluidique peut être obtenue grâce à une coulée classique de PDMS contre un moule maître de silicium et à lier ultérieurement le PDMS avec les mi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent la Fondation Nationale Suisse de la Science (SNF) pour le soutien financier par le projet no. 200021_160174.
Materials
| High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
| Silicon wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | Front surface: polished, back surface: etched |
| Silicone Elastomer KIT (PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard 184 | – |
| Chlorotrimethylsilane | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| Biopsy puncher | Miltex GmBH, Germany | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
| Glass coverslip | Menzel-Glaser, Germany | BB024040SC | 24 mm × 40 mm, #5 |
| Plasma generator instrument | Diener | Zepto B | Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W |
| PTFE tubing | PKM SA, Switzerland | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS, roll of 100 m |
| neMESYS Syringe Pumps | Cetoni GmbH, Germany | Low Pressure (290N) | – |
| Disposable Cup | Semadeni, Switzerland | 8323 | PS, 200 ml |
| Plastic Spatula | Semadeni, Switzerland | 3340 | L × W : 135 mm x 14 mm |
| Disposable Scalpels | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
| Disposable Syringes | VWR, Switzerland | 613-3951 | 5 ml, Discardit II |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | 695092-500 | >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| 1,3,5-benzenetricarbaldehyde | Aldrich-Fine Chemicals | 753491 | 97% |
| 1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene | Tokyo Chemical Industry | T2728-5G | >93.0% |
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