Covalent Organic Frameworks

سنتز منطقی آرایه های گسترده از مواد آلی به صورت توده ای، محلول، کریستال ها و لایه های نازک همیشه هدف اصلی شیمی بوده است. با این حال، ابزارهای مصنوعی کلاسیک برای به دست آوردن نظم دوربرد محدود به برهمکنش‌های غیرکووالانسی هستند که معمولاً از نظر ساختاری محصولات تصادفی‌تری تولید می‌کنند. از این رو، ترکیبی از تخلخل و نظم در مواد با پیوند کووالانسی آلی نه تنها به طراحی بلوک‌های ساختمانی مولکولی نیاز دارد که امکان رشد را در یک هندسه منظم و بدون اختلال ایجاد می‌کند، بلکه به مکانیزم تراکم نیز نیاز دارد که تحت شرایط ترمودینامیکی برگشت‌پذیر و خودبهینه‌سازی پیشرفت کند. چارچوب‌های آلی کووالانسی (COFs)، انواع مواد متخلخل دوبعدی متخلخل متشکل از عناصر سبک، شبیه به یک صفحه گرافن مبتنی بر کربن sp² هستند، اما دارای اسکلت مولکولی متفاوتی هستند که از پیوند منظم بلوک‌های ساختمانی تشکیل شده است. یک ورق آلی تخت را تشکیل می دهند. COFها در دهه گذشته به دلیل کاربردهای همه کاره آنها در ذخیره سازی و جداسازی گاز، کاتالیز، سنجش، تحویل دارو و توسعه مواد نوری توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده اند. در مقایسه با سایر مواد متخلخل، COFها با تغییر ساختار بلوک‌های ساختمانی خود، امکان کنترل دقیق اتمی معماری‌هایشان را فراهم می‌کنند، که به موجب آن می‌توان شکل و اندازه منافذ آنها را به خوبی تنظیم کرد.

چارچوب‌های آلی کووالانسی مجموعه‌ای از موضوعات مختلف در تحقیقات COF است، از طراحی و سنتز COF، تبلور، و پیوندهای ساختاری تا نظریه جذب گاز و کاربردهای مختلف. COF ها، مانند کاتالیزورهای ناهمگن، ذخیره انرژی (به عنوان مثال، نیمه هادی ها و باتری ها)، و زیست پزشکی. این کتابچه راهنمای علاقه‌مندان به نانوتکنولوژی و مواد جدید جذب و ذخیره‌سازی گاز، کاتالیزورهای ناهمگن، دستگاه‌های الکترونیکی و دستگاه‌های زیست پزشکی را به خود جلب می‌کند.

Rational synthesis of extended arrays of organic matter in bulk, solution, crystals, and thin films has always been a paramount goal of chemistry. The classical synthetic tools to obtain long-range regularity are, however, limited to noncovalent interactions, which usually yield structurally more random products. Hence, a combination of porosity and regularity in organic covalently bonded materials requires not only the design of molecular building blocks that allow for growth into a nonperturbed, regular geometry but also a condensation mechanism that progresses under reversible, thermodynamic, self-optimizing conditions. Covalent organic frameworks (COFs), a variety of 2D crystalline porous materials composed of light elements, resemble an sp²-carbon-based graphene sheet but have a different molecular skeleton formed by orderly linkage of building blocks to constitute a flat organic sheet. COFs have attracted considerable attention in the past decade because of their versatile applications in gas storage and separation, catalysis, sensing, drug delivery, and optoelectronic materials development. Compared to other porous materials, COFs allow for atomically precise control of their architectures by changing the structure of their building blocks, whereby the shapes and sizes of their pores can be well-tuned.

Covalent Organic Frameworks is a compilation of different topics in COF research, from COF design and synthesis, crystallization, and structural linkages to the theory of gas sorption and various applications of COFs, such as heterogeneous catalysts, energy storage (e.g., semiconductors and batteries), and biomedicine. This handbook will appeal to anyone interested in nanotechnology and new materials of gas adsorption and storage, heterogeneous catalysts, electronic devices, and biomedical devices.