2004 年のグラフェンを皮切りに、2 次元 (2D) 材料の探求は今も続いています。グラフェンは最強の固体の称号を保持していますが、熱心な研究により、グラフェンがあらゆる用途に適しているわけではないことが示されています.たとえば、グラフェン トランジスタを流れる電流をオフにすることは、非常に困難であることが証明されています。さらに、高品質のグラフェンには細孔がないため、特定のアプリケーションの実現が妨げられています。
対照的に、他の 2D 材料は単に引き伸ばすだけで細孔サイズを変更できます。これにより、さまざまな気体、液体、およびイオンに対する 2D 膜の透過性を機械的に制御することができます。この効果は、例えば、水の淡水化やガスの分離に使用できます。 COF-1 の単層は、有機固体の共有有機フレームワーク ファミリーに属する多孔質 2D 材料の一例です。
最近の出版物で、テキサスとブラジルの著者は、この材料で再生できる別のトリックを発見しました.COF-1を十分に伸ばすと、その接着力が低下します.報告された結果は、古典的なコンピュータ シミュレーションと量子コンピュータ シミュレーションを組み合わせることによって得られました。
COF-1 におけるひずみと接着の相互作用は、外部張力によって引き起こされる構造変化に起因します。ただし、この効果を説明する前に、いくつかの重要な属性を思い出すことが重要です。まず、輪ゴムを伸ばすときに見られるように、固体を一方向に引っ張ると横方向に収縮することがよくあることに注意してください。第二に、図 1a で、COF-1 の原子構造がかなり独特であり、単結合で結合された小さな環で構成されている大きな多孔性環で構成されていることに注意してください。
この情報は、機械的変形に対する COF-1 の応答を定性的に理解するために使用できます。歪みが小さい場合、材料は細孔サイズの縮小によって横方向に容易に収縮します。ただし、細孔の減少は最終的に原子を接触させ、反発につながり、横方向の収縮を妨げます。さらに大きなひずみ値の場合、リングの回転によって原子を最初の平面の外側に部分的に移動させることで、横方向の収縮を可能にしながら反発を制限することができます。実際、外部歪みが 15% を超える場合、最適化された COF-1 構造は非平面です。図 1b を参照してください。
最後に、COF-1 と他の材料の間の引力は、それらの界面での非結合相互作用から生じるため、接着は接触面積とともに増加することを思い出してください。大きなひずみ値では、COF-1 の頑丈な非平面構造が他の材料との接触を妨げ、接着力を低下させます - 図 1c を参照してください。この構造変化の重要な特徴の 1 つは、すべての化学結合が保持されることです。したがって、張力を取り除くと、COF-1 は平面形状に戻ります。
ひずみ制御された接着の可能な用途を説明するために、著者らは追加の古典的な分子動力学シミュレーションを報告し、そこで彼らは効果を使用してグラフェン片を動かしました。これらの精度の低い計算では、(より正確な計算のように) ひずみが減少するのではなく、接着が増加しました。それでも、接着力が伸びによって変化する限り、この概念は機能するはずです。以下の動画は、分子動力学の結果を要約したものです。
上記の軌跡は、接着の機械的制御を介して2D材料を移動する可能性を示しています。マクロスケールでは、小さな物体を動かすために機械的刺激がよく使用されます。ピンセットを考えてみてください。この意味で、COF-1 の単層はナノスケールのピンセットとして機能し、選択的な歪みの適用を通じて原子的に薄い固体を拾ったり落としたりします。
