這篇Nature，實現COF合成可視化！

一、【科學背景】

共價有機框架（COFs）是一種多孔有機聚合物的功能材料，其具有結構可控性和功能可調性，因而在能量的利用、轉換和儲存等領域具有廣泛應用。然而，經過近20年的研究，COF的合成條件仍然沒有一致的預測規則。這在一定程度上是因為在COF形成的早期階段，缺乏成核和生長的實時描述。因此，有必要開展對COF形成過程中這些早期階段的深入研究，以便更好地理解其形成機制，并為其合成條件的有理設計提供理論指導。

二、【創新成果】

基于以上難題，德國慕尼黑大學Emiliano Cortés教授與Dana D. Medina教授合作，在Nature發表了題為“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的論文，提出了使用光學技術干涉散射顯微鏡（iSCAT），用于原位COF聚合和框架形成的研究。通過利用iSCAT技術，研究人員能夠實時監測COF形成過程中的各個階段，從溶劑混合到分子交互再到聚合和框架形成的各個步驟。基于此，本研究發現了液-液相分離的現象，并揭示了溶劑在COF合成過程中的重要作用，從而為COF的合成條件設計提供了新的思路。本研究填補了COF形成過程中早期階段的研究空白，為COF的合成條件設計提供了理論基礎和實驗指導，有助于推動COF材料的合理設計和應用。

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為了全面了解COF形成的早期階段，研究人員選擇了TA-TAPB的2D亞胺COF作為模型，用iSCAT研究了形成過程中的變化。

圖1 ?iSCAT表征COF形成機制 ? 2024 Springer Nature

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圖2 ?實時iSCAT圖像在空間和時間上顯示COF的形成，在添加催化劑后的毫秒內顯示液-液相分離過程 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?常規COF合成中的溶劑結構 ? 2024 Springer Nature

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為了驗證上述建議的反應混合物的溶劑結構和相轉化性質，研究人員使用鹽離子補償的少量催化劑來合理設計TA-TAPB COF形成環境來合成COF。

圖4 ?合理設計的COF室溫合成方案 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

本研究揭示了使用iSCAT技術進行COF合成的新途徑，為濕化學過程的解析提供了強大工具。通過直接成像，研究人員能夠深入了解COF形成過程中的復雜動態，從而為合成條件的優化和控制提供了新的思路。特別地，本研究成功開發出了一種在溫和條件下合成COF的新合成方案，這有望降低合成成本、提高合成效率，并拓展了COF在實際應用中的潛力。此外，通過利用液相圖定制COF反應環境的策略，研究人員不僅可以有效地優化反應條件，還可以在材料合成領域探索更廣泛的應用。這一策略的成功應用為材料合成提供了一種新的范式，強調了光散射技術在理解化學反應中的重要性。

原文詳情：Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07483-0)

本文由賽恩斯供稿。