물의 가장자리에서: 액체-액체 인터페이스에서 자가 조립 2D 재료

물의 가장자리에서: 액체-액체 인터페이스에서 자가 조립 2D 재료
과학자들은 이종층 배위 나노시트를 생산하는 간단한 방법을 찾아 2D 재료의 다양성을 확장합니다.
날짜:
2022년 7월 21일
원천:
도쿄이과대학
요약:
분자 2D 재료는 구조가 다양하고 제어가 용이하기 때문에 재료 과학에서 엄청난 응용 분야를 찾습니다. 따라서 합성을 위한 간단하고 효율적인 방법을 확립하는 것이 중요합니다. 이제 과학자들은 유망한 2D 재료인 이종층 배위 나노시트를 합성하는 간단한 방법을 제시하여 액체-액체 계면에서 특정 화학 배위 반응이 어떻게 일어나는지에 대해 설명합니다. 그들의 방법은 광전자 장치에 응용할 수 있는 새로운 2D 재료를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

지난 수십 년 동안 2차원(2D) 재료 분야에서 많은 연구가 이루어졌습니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 박막과 같은 재료는 몇 개의 원자 두께에 불과한 층으로 구성됩니다. 2D 재료의 많은 화학적 및 물리적 특성을 미세 조정할 수 있어 광전자공학, 촉매 작용, 재생 에너지 등을 포함한 많은 분야에서 유망한 응용 분야로 이어집니다.

배위 나노시트는 특히 흥미로운 유형의 2D 재료 중 하나입니다. "배위"는 배위 중심으로 작용하는 이러한 분자의 금속 이온 효과를 나타냅니다. 이러한 센터는 2D 재료의 여러 층에 걸쳐 조직화된 분자 배치를 자발적으로 생성할 수 있습니다. 이것은 유리한 특성으로 인해 재료 과학자들의 관심을 끌었습니다. 사실, 우리는 이종 층 배위 나노시트, 즉 층이 서로 다른 원자 구성을 갖는 배위 나노시트가 제공할 수 있는 것에 대해 표면을 긁기 시작했습니다.

2022년 6월 13일에 처음 발표되고 Chemistry -- A European Journal 의 표지에 실린 최근 연구 에서 Tokyo University of Science(TUS)와 일본 도쿄 대학의 과학자 팀은 놀라울 정도로 간단한 방법을 보고했습니다. 이종층 배위 나노시트를 합성합니다. 유기 리간드인 테르피리딘(terpyridine), 배위하는 철 및 코발트로 구성된 이 나노시트는 두 개의 섞이지 않는 액체 사이의 계면에서 독특한 방식으로 조립됩니다. TUS의 Hiroshi Nishihara 교수가 주도한 이 연구에는 TUS의 Joe Komeda, Kenji Takada, Dr. Hiroaki Maeda, Dr. Naoya Fukui의 기여도 포함되었습니다.

이종층 배위 나노시트를 합성하기 위해 팀은 먼저 액체-액체 인터페이스를 만들어 어셈블리를 가능하게 했습니다. 그들은 물과 섞이지 않는 유기 액체인 디클로로메탄(CH 2 Cl 2 ) 에 트리스(터피리딘) 리간드를 용해시켰다 . 그런 다음 그들은 CH 2 Cl 2 위에 물과 철 함유 화학물질인 테트라플루오로붕산제1철 용액을 부었습니다 . 24시간 후, 배위 나노시트의 첫 번째 층인 비스(테르피리딘)철(또는 "Fe-tpy")이 두 액체 사이의 계면에 형성되었습니다.

그 후, 그들은 철 함유 물을 제거하고 코발트 함유 물로 대체했습니다. 다음 며칠 동안 비스(테르피리딘)코발트(또는 "Co-tpy") 층이 액체-액체 계면에서 철 함유 층 바로 아래에 형성되었습니다.

연구팀은 주사전자현미경, X선 광전자분광법, 원자력현미경, 주사투과전자현미경 등 다양한 첨단 기술을 이용해 이종층을 자세히 관찰했다. 그들은 Co-tpy 층이 액체-액체 계면에서 Fe-tpy 층 아래에 ​​깔끔하게 형성되었음을 발견했습니다. 더욱이, 그들은 합성 공정이 진행되는 동안 얼마나 오래 방치했는지에 따라 두 번째 층의 두께를 제어할 수 있었습니다.

흥미롭게도 팀은 합성 단계의 순서를 단순히 변경하여 레이어의 순서를 바꿀 수 있음을 발견했습니다. 즉, 먼저 코발트 함유 용액을 추가한 다음 철 함유 용액으로 대체하면 합성된 이종층의 상단 레이어에는 코발트 배위 중심이 있고 하단 레이어에는 철 배위 중심이 있습니다. "우리의 발견은 금속 이온이 수상에서 CH 2 Cl 2 상 으로 첫 번째 층을 통과하여 나노시트와 CH 2 Cl 2 사이의 경계에서 바로 터피리딘 리간드와 반응 할 수 있음을 나타냅니다.단계"라고 Nishihara 교수는 설명합니다. "이것은 액체/액체 계면에서 배위 나노시트의 성장 방향에 대한 최초의 설명입니다."

또한 팀은 배위 나노 시트의 환원 산화 특성과 전기 정류 특성을 조사했습니다. 그들은 헤테로층이 Co-tpy 및 Fe-tpy의 전자 에너지 수준과 일치하는 방식으로 다이오드와 매우 유사하게 거동한다는 것을 발견했습니다. 팀이 개발한 쉬운 합성 절차와 결합된 이러한 통찰력은 다른 재료로 만들어지고 특정 전자 응용 분야에 맞게 조정된 이종층 나노시트의 설계에 도움이 될 수 있습니다. Nishihara 교수는 "우리의 합성 방법은 액체-액체 계면에서 합성된 다른 배위 폴리머에 적용할 수 있습니다."라고 강조합니다. "따라서 이 연구의 결과는 분자 2D 물질의 구조적 및 기능적 다양성을 확장할 것입니다."

연구팀은 미래를 내다보며 액체-액체 계면에서 일어나는 화학 현상을 계속 조사해 물질 이동과 화학 반응의 메커니즘을 규명할 예정이다. 그들의 발견은 2D 재료의 설계를 확장하는 데 도움이 될 수 있으며 희망적으로 태양 전지와 같은 광전자 장치의 더 나은 성능으로 이어질 수 있습니다.