仪器新应用！科学家用干涉散射显微镜解密COF合成的全过程！

【科学背景】

共价有机框架（COFs）是一类功能性材料，能够在能量转换和存储方面发挥作用。然而，尽管近20年的研究，对于它们的合成条件却缺乏统一的预测规则。这部分是由于对于形成的早期阶段的成核和生长的认识仍然不完整。为了解决这一挑战，科学家们需要一种能够在操作中进行研究的技术，以全面理解COF形成的动态过程。

鉴于此，德国慕尼黑大学的Richard Martel & Emiliano Cortés等研究者在“Nature”期刊上发表了题为“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的最新论文。科学家们使用了干涉散射显微镜（iSCAT）技术，首次揭示了在COF合成过程中液液相分离的现象，这表明了溶剂在形成过程中的关键作用。利用这些发现，他们成功地开发了一种新的COF合成方案，在室温下进行反应，实现了对合成条件的有效设计。这项研究的结果揭示了溶剂在COF合成中的重要性，并为有理材料合成提供了新的视角和方法。

【科学亮点】

(1) 本研究首次利用干涉散射显微镜（iSCAT）技术进行了COF聚合和框架形成的操作内研究。这一技术在高速度（微秒/毫秒级）下结合了亚5纳米的灵敏度和高空间分辨率，使得能够观察到反应混合物中的所有物质，包括晶态、非晶态、液体/固体相。

(2) 实验结果显示，COF的形成过程中存在液液相分离，表明常规COF合成中存在结构化溶剂，呈现为无表面活性剂的（微）乳液。此外，发现溶剂的作用不仅仅是溶解性，还通过将反应物和催化剂分隔开来起到了动力学调节剂的作用，从而影响COF的形成过程。

（3）基于这些发现，作者成功开发了一种室温下合成COF的新协议，摆脱了之前合成中需要提高温度的限制。这项工作将框架合成与液相图连接起来，为合理设计反应环境提供了新的方法。

【科学图文】

图1：iSCAT是全面了解COF形成机制的有效工具。

图2. 实时iSCAT图像在空间和时间上显示COF的形成，在添加催化剂后的毫秒内显示液-液相分离过程。

图3. 常规碳纳米管合成中的溶剂结构。

图 4：合理设计了COFs的室温合成方案。

【科学结论】

这项研究为理解和优化复杂湿化学过程（如COF合成）提供了新的科学启示。通过使用iSCAT显微镜直接成像，作者得以深入解析COF合成的多阶段过程，揭示了液液相分离等关键现象。同时，作者提出的IAC合成方案展现了在温和条件下合成框架材料的可靠途径，这为设计更高性能的COF材料提供了新的思路。

此外，作者提出的通过液相图定制反应环境的策略不仅可以用于COF合成，还可以推广到其他材料的合成领域，为实现有理材料合成提供了可行性方案。这一研究还强调了利用光散射技术可视化反应过程的重要性，这为更深入地理解化学反应机制提供了新的方法。综上所述，本研究不仅为COF合成提供了新的合成策略和理解机制，还为湿化学过程的探索提供了新的科学思路和方法。

原文详情：Gruber, C.G., Frey, L., Guntermann, R. et al. Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando. Nature (2024).