Preparación de redes orgánicas covalentes bidimensionales para su estudio de propiedades mecánicas en la nanoescala sobre diferentes superficies

Abstract

Las redes orgánicas covalentes (COFs, en inglés, Covalent Organic Frameworks) son estructuras porosas muy ordenadas que conforma una parte de los polímeros 2D que pueden diseñarse y sintetizarse con control estructural a nivel molecular. La presencia de enlaces de hidrógeno puede mejorar significativamente la estabilidad química de los COFs y proporcionar una oportunidad para ajustar las propiedades mecánicas de los COFs a nivel molecular mediante la ingeniería de las interacciones entre capas. Solo se han realizado unos pocos estudios sobre COFs modificados para mejorar su aplicación de propiedades mecánicas. Por ende, es hora de explorar estos COFs para aprovechar sus bloques de construcción orgánicos para, por ejemplo, reforzar los nanocompuestos poliméricos en diferentes aspectos.

El presente trabajo se centra en la síntesis a partir de 2,2'-bipiridina-5,5'-diamina (Tp) y 2,4,6-trihidroxi-1,3,5-bencenotricarboaldehído (Bpy) del COF 2D TpBpy, con una posterior exfoliación para su estudio morfológico y de propiedades mecánicas como la adhesión, fuerza y elasticidad (módulo de Young) sobre superficies de mica, vidrio recubierto de óxido de indio y estaño y dióxido de silicio por microscopía de fuerzas atómicas. Las técnicas de exfoliación realizadas se basan en exfoliaciones combinadas (mecánica y por ultrasonidos). En todos los casos de drop-casting se utiliza la misma concentración de COF TpBpy de 0,1 mg/mL, variando el solvente (isopropanol, etanol y metanol), tiempos de molienda (30 y 60 min) y tiempos de sonicación (5 min, 2.5, 5 y 10 horas). Además, se probó depositar el mismo COF 2D TpBpy preparado con molienda 30 minutos y sonicación de 4 horas en etanol sobre vidrio recubierto con ITO con la técnica de spray coating a una concentración de 2 mg/mL y una temperatura de 80°C.

El COF 2D TpBpy exfoliado a partir de diferentes metodologías combinadas de molienda y sonicación con variables de tiempos y solventes entregaron un amplio repertorio de valores para la altura, longitud de lámina, adhesión, fuerza y módulo de Young, en los cuales se identifica una clara concentración de los datos, más precisamente los datos poseen una distribución positiva débil, por lo que se concluye que a menor espesor de lámina (0,25 a 0,6 um) menores son la adhesión (10 a 40 nN), fuerza (50 a 150 nN) y módulo de Young (5 a 150 MPa). Se deja propuesto a futuro realizar un estudio de propiedades mecánicas que incluyan factores como el apilamiento de las láminas y la presencia de defectos estructurales con el objetivo de encontrar posibles correlaciones entre las características morfológicas y las propiedades mecánicas.