研究背景
隨著科學技術的不斷進步，人們對能夠利用、轉化和儲存能量的功能材料的需求日益增加。其中，共價有機框架（COF）作為一類具有潛在應用前景的材料引起了人們的廣泛關注。COF是一種多孔有機聚合物，其具有結構可控性和功能可調性，因此被認為是一種具有廣泛應用前景的材料，尤其在光催化、電催化、質子導體等領域具有重要潛力。然而，盡管在過去20年中進行了大量的研究，但至今仍然缺乏對COF合成條件的一致性預測規則。
COF的合成條件對其性能和質量具有重要影響，但目前對于這些合成條件的設計仍然主要依賴于經驗法則和試錯方法，缺乏系統性和理論基礎。這主要是因為在COF形成的早期階段，特別是在聚合反應的起始階段，作者對反應機制和分子交互的理解尚不完整。因此，有必要開展對COF形成過程中這些早期階段的深入研究，以便更好地理解其形成機制，并為其合成條件的有理設計提供理論指導。
為了解決這一問題，德國慕尼黑大學的Richard Martel & Emiliano Cortés等研究者提出了采用新的研究方法來探索COF的形成過程。他們認識到現有方法難以獲取到反應的早期階段信息，因此需要開發新的技術手段來實現對COF合成過程的實時監測和表征。
在這項研究中，科學家們選擇了一種光學技術，即干涉散射顯微鏡（iSCAT），用于進行操作內的COF聚合和框架形成的研究。iSCAT具有高靈敏度、高速度和高空間分辨率的特點，能夠在實際反應條件下實現對復雜混合物中各種物質的實時監測，為研究COF形成過程提供了強有力的工具。
通過利用iSCAT技術，研究人員能夠實時監測COF形成過程中的各個階段，從溶劑混合到分子交互再到聚合和框架形成的各個步驟。他們的研究發現了液-液相分離的現象，并揭示了溶劑在COF合成過程中的重要作用，從而為COF的合成條件設計提供了新的思路。具體地，他們提出了一種在室溫下進行COF合成的新方案，通過優化反應環境，實現了對COF合成過程的有效控制。
因此，這項研究填補了COF形成過程中早期階段的研究空白，為COF的合成條件設計提供了理論基礎和實驗指導，有助于推動COF材料的合理設計和應用。相關研究在“Nature”期刊上發表了題為“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的最新論文。
科學亮點
（1）實驗首次采用干涉散射顯微鏡技術（iSCAT）進行COF聚合和框架形成的操作內研究。通過這項技術，研究人員能夠在高時間和空間分辨率下觀察COF形成的早期階段，這在以往研究中是盲區。
（2）實驗結果表明，在COF的形成過程中存在液-液相分離現象，這指示出在傳統COF合成中存在著結構溶劑，形成無表面活性劑的微乳液。這一發現揭示了溶劑在COF合成中的重要作用，不僅限于溶解反應物，還通過將反應物和催化劑分隔開來起到了動力學調節劑的作用。
（3）利用iSCAT技術，研究人員發現通過對反應條件進行設計，可以在室溫下實現COF的合成，而不需要提高溫度。這項工作將框架合成與液相圖連接起來，為有理設計反應環境提供了新途徑，強調了光散射技術在化學反應研究中的重要性。
圖文解讀
圖1：iSCAT是全面了解COF形成機制的有效工具。
圖2. 實時iSCAT圖像在空間和時間上顯示COF的形成，在添加催化劑后的毫秒內顯示液-液相分離過程。
圖3. 常規碳納米管合成中的溶劑結構。
圖 4：合理設計了COFs的室溫合成方案。
總結展望
本研究揭示了使用干涉散射顯微鏡（iSCAT）技術進行 COF 合成的新途徑，為濕化學過程的解析提供了強大工具。通過直接成像，作者能夠深入了解COF形成過程中的復雜動態，從而為合成條件的優化和控制提供了新的思路。特別是，作者成功開發出了一種在溫和條件下合成COF的新合成方案，這有望降低合成成本、提高合成效率，并拓展了COF在實際應用中的潛力。
此外，通過利用液相圖定制COF反應環境的策略，作者不僅可以有效地優化反應條件，還可以在材料合成領域探索更廣泛的應用。這一策略的成功應用為材料合成提供了一種新的范式，強調了光散射技術在理解化學反應中的重要性。總的來說，本研究不僅為 COF 合成提供了新的方法和策略，還為濕化學過程的研究提供了一種全新的視角。
原文詳情：
Gruber, C.G., Frey, L., Guntermann, R. et al. Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07483-0
