这篇Nature，实现COF合成可视化！

一、【科学背景】

共价有机框架（COFs）是一种多孔有机聚合物的功能材料，其具有结构可控性和功能可调性，因而在能量的利用、转换和储存等领域具有广泛应用。然而，经过近20年的研究，COF的合成条件仍然没有一致的预测规则。这在一定程度上是因为在COF形成的早期阶段，缺乏成核和生长的实时描述。因此，有必要开展对COF形成过程中这些早期阶段的深入研究，以便更好地理解其形成机制，并为其合成条件的有理设计提供理论指导。

二、【创新成果】

基于以上难题，德国慕尼黑大学Emiliano Cortés教授与Dana D. Medina教授合作，在Nature发表了题为“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的论文，提出了使用光学技术干涉散射显微镜（iSCAT），用于原位COF聚合和框架形成的研究。通过利用iSCAT技术，研究人员能够实时监测COF形成过程中的各个阶段，从溶剂混合到分子交互再到聚合和框架形成的各个步骤。基于此，本研究发现了液-液相分离的现象，并揭示了溶剂在COF合成过程中的重要作用，从而为COF的合成条件设计提供了新的思路。本研究填补了COF形成过程中早期阶段的研究空白，为COF的合成条件设计提供了理论基础和实验指导，有助于推动COF材料的合理设计和应用。

为了全面了解COF形成的早期阶段，研究人员选择了TA-TAPB的2D亚胺COF作为模型，用iSCAT研究了形成过程中的变化。

图1  iSCAT表征COF形成机制 © 2024 Springer Nature

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 © 2024 Springer Nature

图3  常规COF合成中的溶剂结构 © 2024 Springer Nature

为了验证上述建议的反应混合物的溶剂结构和相转化性质，研究人员使用盐离子补偿的少量催化剂来合理设计TA-TAPB COF形成环境来合成COF。

图4  合理设计的COF室温合成方案 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究揭示了使用iSCAT技术进行COF合成的新途径，为湿化学过程的解析提供了强大工具。通过直接成像，研究人员能够深入了解COF形成过程中的复杂动态，从而为合成条件的优化和控制提供了新的思路。特别地，本研究成功开发出了一种在温和条件下合成COF的新合成方案，这有望降低合成成本、提高合成效率，并拓展了COF在实际应用中的潜力。此外，通过利用液相图定制COF反应环境的策略，研究人员不仅可以有效地优化反应条件，还可以在材料合成领域探索更广泛的应用。这一策略的成功应用为材料合成提供了一种新的范式，强调了光散射技术在理解化学反应中的重要性。

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

本文由赛恩斯供稿。