Self-Assembly-Driven Nanomechanics in Porous Covalent Organic Framework Thin Films

纳米力学 多孔性 薄膜 纳米技术 共价键 结晶度 自组装 多孔介质 化学 复合材料 材料科学 超分子化学 原子力显微镜 结晶学 晶体结构 有机化学
作者
Kaushik Dey,Surojit Bhunia,Himadri Sekhar Sasmal,C. Malla Reddy,Rahul Banerjee
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (2): 955-963 被引量:101
标识
DOI:10.1021/jacs.0c11122
摘要

Nanomechanics signifies a key tool to interpret the macroscopic mechanical properties of a porous solid in the context of molecular-level structure. However, establishing such a correlation has proved to be significantly challenging in porous covalent organic frameworks (COFs). Structural defects or packing faults within the porous matrix, poor understanding of the crystalline assembly, and surface roughness are critical factors that contribute to this difficulty. In this regard, we have fabricated two distinct types of COF thin films by controlling the internal order and self-assembly of the same building blocks. Interestingly, the defect density and the nature of supramolecular interactions played a significant role in determining the corresponding thin films' stress–strain behavior. Thin films assembled from nanofibers (∼1–2 μm) underwent large deformation on the application of small external stress (Tp–Azofiber film: E ≈ 1.46 GPa; H ≈ 23 MPa) due to weak internal forces. On the other hand, thin films threaded with nanospheres (∼600 nm) exhibit a much stiffer and harder mechanical response (Tp–Azosphere film: E ≈ 15.3 GPa; H ≈ 66 MPa) due to strong covalent interactions and higher crystallinity. These porous COF films further exhibited a significant elastic recovery (∼80%), ideal for applications dealing with shock-resistant materials. This work provides in-depth insight into the fabrication of industrially relevant crystalline porous thin films and membranes by addressing the previously unanswered questions about the mechanical constraints in COFs.

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