Американські хіміки вперше синтезували плоскі ковалентні органічні каркаси у вигляді монокристалів розміром до 1,5 мікрометра. Ці каркаси являють собою бір-органічні сполуки з гексагональною структурою, що нагадує графен, але значно більшим розміром пір, і раніше їх вдавалося отримувати тільки у вигляді полікристалічних порошків з розміром кристалів у кілька десятків нанометрів. Оптичні властивості отриманих кристалів роблять їх перспективними матеріалами для органічних оптоелектронних пристроїв, пишуть вчені в.
Все більшу увагу останнім часом приділяють різним типам плоских неорганічних кристалів - графену і його аналогам. Через упередженість ці матеріали мають незвичайні електронні властивості і досить перспективні для використання як елементи різних електронних пристроїв.
Однак подібні кристалічні решітки можна отримувати не тільки з окремих атомів, але і з досить великих органічних молекул. Такі сполуки - ковалентні органічні каркаси - являють собою пористі структури, які, як правило, як і графен, володіють гексагональною симетрією. При цьому за рахунок зміни одиничних молекулярних блоків, що утворюють таку решітку, можна змінювати розмір і форму пор, а таким чином контролювати оптичні, електронні та транспортні властивості цих структур і питому площу поверхні. Однак практично завжди ковалентні органічні каркаси вдається отримувати тільки у вигляді порошків, що складаються зі зліпшихся наночастинок. Отримувати ж з цих матеріалів монокристалічні протяжні степерні плівки з контролем розміру не вдавалося.
Вперше вирішити цю проблему вдалося американським хімікам під керівництвом Вільяма Дічтела (William R. Dichtel) з Північнозахідного університету, використавши для цього метод двостадійної полімерізації з одночасною кристалізацією. Акціонерну каркасну структуру хіміки синтезували з двох типів органічних блоків: 1,4-фенілен-біс-боронової кислоти і гексагідрокситрифенілену. За рахунок утворення складноефірного зв'язку між гідроксі-групами трифенілену і бороновою кислотою ці блоки можуть з'єднуватися між собою в гексагональні решітки з періодом близько одного нанометра.
На першому етапі полімерізації з невеликого числа молекул утворюється частинки розміром від 30 до 400 нанометрів, що складаються з почесних гексагональних решіток. На другій стадії полімеризації отримані нанокристали хіміки використовували як затравку для подальшої кристалізації: у розчин додавалися нові мономери, які приєднувалися до наночастинок, поступово збільшуючи їх розмір. При цьому розмір кінцевих частинок можна було контролювати, змінюючи швидкість додавання мономерів.
За даними електронної мікроскопії, за допомогою запропонованої методики вдалося отримати монокристалічні почесні частинки розміром від 300 нанометрів до 1,5 мікрометра. Оскільки одне з можливих застосувань цих матеріалів пов'язане з оптоелектронними пристроями, то вчені також досліджували оптичні властивості отриманих кристалів. Дані нестаціонарної спектроскопії поглинання ковалентних органічних каркасів, отриманих новим методом, показали, що час життя збуджених станів становить близько декількох сотень пікосекунд, а довжина дифузії екситонів - перевершує розмір окремих частинок у порошкових матеріалах.
За словами авторів роботи, за допомогою запропонованого методу їм вперше вдалося отримати кристали ковалентних органічних каркасів достатньої якості, щоб можна було проводити надійні оптичні вимірювання. У майбутньому за допомогою подібних вимірювань можна буде отримувати на основі цих сполук ефективні матеріали для органічних пристроїв для перетворення сонячної енергії.
Збільшення довжини дифузії ексітонів у напівпровідникових органічних матеріалів - одне з ключових завдань, вирішення якого дозволить використовувати ці матеріали, наприклад, для створення ефективних органічних сонячних батарей. Наприклад, нещодавно британські хіміки синтезували напівпровідникові полімерні нановолокна, в яких змогли збільшити довжину дифузії екситонів відразу в 20 разів, довівши її величину до 200 нанометрів.