用X射線衍射確定共價有機(jī)框架材料的結(jié)構(gòu)和方向，就可生長出連續(xù)的薄膜，層層堆疊在石墨表面，薄膜中分子排列井然有序，可替代很多導(dǎo)電材料，分子基礎(chǔ)材料組裝在石墨烯上，提供定向有序的共價有機(jī)框架。

太陽能電池的制備采用有機(jī)材料，價格便宜，輕巧靈活，但它們性能落后，不如那些包含硅或其他無機(jī)材料的電池。康奈爾大學(xué)(Cornell)化學(xué)家威廉?迪奇特爾(WilliamDichtel)和同事發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以合成有序的有機(jī)薄膜，這可能是重要的一步，可以解決這一問題。

這是第一次，研究人員得以處理這些材料，這些材料稱為共價有機(jī)框架(COFs：covalentorganicframeworks)，要把它們從普通的粉末形態(tài)改變?yōu)槠狡瑺畹木_排列的分子，就在一個導(dǎo)電表面。這就掃清了一個主要障礙，可以使用共價有機(jī)框架取代昂貴的、不夠通用的材料，用于今天的太陽能電池和其他電子產(chǎn)品。這項(xiàng)研究發(fā)表在4月8日的《科學(xué)》雜志上。

共價有機(jī)框架有多種不同的屬性，不同于傳統(tǒng)的有機(jī)聚合物，這些屬性包括優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，高比表面積和永久多孔性。盡管研究人員已經(jīng)把它們確定為有趣的候選產(chǎn)品，準(zhǔn)備替代這樣的設(shè)備，但是，它們已經(jīng)無能為力，因?yàn)槭聦?shí)上，這種材料的存在通常只是作為一種不溶性粉末。

迪奇特爾是化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)助理教授，他和同事們開發(fā)出一種簡單的工藝，可以培育薄膜狀(25-400納米厚)的共價有機(jī)框架，就在石墨烯表面進(jìn)行，石墨烯是一種單原子厚的碳片。他們采用X射線衍射，在康奈爾大學(xué)高能同步輻射光源(CHESS：CornellHighEnergySynchrotronSource)上確定材料的結(jié)構(gòu)和方向。這種共價有機(jī)框架就生長為連續(xù)的薄膜，井然有序，層層堆疊在石墨烯表面。

不同于粉末形態(tài)，這些薄膜都生長在透明表面上，可以被探測，采用現(xiàn)代光學(xué)測量就行。研究人員還可以改變框架的屬性，這只需改變組件的結(jié)構(gòu)。

“這些材料是如此用途廣泛，以致于我們可以合理地調(diào)整性能，而不是依靠分子形成薄膜，因?yàn)檫@是難以預(yù)測的，”迪奇特爾說。

為了演示，研究人員創(chuàng)造了三種變化的框架。在這三種框架之中，有一種看起來尤其有希望用于太陽能電池，它使用的分子稱為酞菁染料(phthalocyanines)，常見于工業(yè)染料中，應(yīng)用產(chǎn)品從藍(lán)色牛仔褲到墨水鋼筆都有。

酞菁涉及葉綠素，可吸收的光包含大多數(shù)太陽光譜，這是一種罕見的屬性，對于單一有機(jī)材料而言就是這樣。

“獲取這些材料作為薄膜，用在電極材料上，這是重要的一步，可以在設(shè)備中研究和使用它們，”迪奇特爾說。“這種方法代表一種通用方式，可以在表面組裝分子，而且是可預(yù)見地進(jìn)行。這項(xiàng)工作打開了一扇大門，采取這些材料可以有許多其他方向。”