比翱工程实验室丨为高性能材料工业开发的合成有机材料的环保工艺

到目前为止，只有使用剧毒溶剂才能从有机物质中生产材料。由德国康斯坦茨大学的化学教授、奥地利科学院CeMM分子医学研究中心的兼职首席研究员、化学家Miriam Unterlass领导的团队现在已经开发出一种制造有机物质的方法，通过只在热水中生成有机物质，以一种环保和完全无毒的方式使有机物质适合作为高性能材料使用。这项研究代表了有机材料绿色生产的一个重要里程碑，因此也为从无机材料转向有机可再生材料提供了重要的动力。此外，该方法是环保的，成本效益高，易于使用，还降低了产品的重量。这也有利于电子产品的生产和重量控制。

我们每天使用的许多产品，例如充电电池和电子材料，都是使用无机物质制成的——这些物质在我们的星球上逐渐变得稀少。化学家正在寻找用碳、氮、氢或氧制成的有机材料代替无机材料的方法。为了使这些物质可用于所需的应用，今天仍在使用剧毒化学品，即所谓的溶剂。这正是康斯坦茨大学教授、奥地利科学院CeMM 分子医学研究中心的兼职首席研究员、化学家Miriam Unterlass在她目前的研究中正在解决的问题，作为她的FWF START项目的一部分。她解释说：“有机材料具有许多积极的特性：它们可以从可再生原材料中获得，对环境友好，最重要的是，重量极轻。通过我们的工艺，我们现在还可以生产它们并使它们完全无毒地使用溶剂，非常简单和便宜。在我们目前的研究中，我们专注于生产高性能材料所需的多孔材料，特别是在工业中，例如用于过滤系统、燃料电池膜，但是也用于电子产品的绝缘。”

与水的关系

无机物质如盐溶于水，而有机物质是非极性的，在常规状态下不溶于水。对于他们的新方法，研究作者、CeMM Unterlass研究小组的博士生Marianne Lahnsteiner和项目负责人Miriam Unterlass发现热水在这个过程中也改变了它的能力。“通过在180到250度之间并在压力下加热水中仅包含氧、氢、氮和碳的分子，这些分子可以结合。根据这个过程的温度和持续时间，我们因此获得了不同的结构，我们已经在数百个实验中进行详细探索与研究” Unterlass说，“因此，我们现在确切地知道了哪些结构是由哪些温度和加工时间产生的。我们研究中的材料是专门开发的高性能材料，因此具有特别的温度稳定性和鲁棒性。”

筛选、过滤、传导

在Lahnsteiner和Unterlass生产的1克材料中，有一个巨大的7250mm³中空空间。因此，它提供 - 根据其形状 - 过滤、分离和传导分子的完美特性，并且重量轻。为了使该过程创建的结构更易于观察，研究人员与网络科学家Jörg Menche的研究小组合作，他是维也纳大学教授，也是CeMM的兼职首席研究员。Menche的研究小组使用人工智能来分析基于显微镜图像的新兴结构和图案。 “在人工智能的帮助下，我们能够以一种我们知道如何综合实现这些结构的方式快速对各种新兴结构进行分类，”Lahnsteiner说。

研究团队提出了形态演变导致单分散PI粒子的假设

自动扫描电镜图像分析

绿色生产，初始成本节省 25%

“烟雾是环境污染的一个关键标志。不幸的是，通过使用有毒溶剂，化学过程对其形成负有部分责任。通过我们的新方法，我们正在创造一种非常重要的替代方法来处理不需要此类有毒溶剂的有机材料 “完全没有。同时，使用非常常见的元素而不是稀有元素，” Unterlass说。“此外，该过程非常具有成本效益。在多孔材料的生产中与使用水与有毒溶剂相比可节省约 25% 的成本。而且我们不会产生污染物。”

扩大规模和加工

CeMM的跨学科

来自全球49个国家的约140名研究人员在CeMM分子医学研究中心进行研究。跨学科性是成功研究的重要核心要素。因此，来自生物学、医学、生物信息学、化学和物理学的科学家不仅为改善疾病诊断和治疗的生物医学研究做出了重要贡献，而且还进行了最高水平的基础研究。

该研究是 FWF START 项目“功能性有机骨架结构热液化研究”的一部分。

文章“Hydrothermal Polymerization of Porous Aromatic Polyimide Networks and Machine Learning-Assisted Computational Morphology Evolution Interpretation”发表在英国皇家化学学会的材料化学同行评审杂志Journal of Materials Chemistry A上，DOI：10.1039/D1TA01253C。通过阅读原文查看此项研究成果。

作者：Marianne Lahnsteiner、Michael Caldera、Hipassia M.Moura、D. Alonso Cerrón-Infantes、Jérôme Roeser、Thomas Konegger、Arne Thomas、Jörg Menche和Miriam M. Unterlass。

多孔材料物理特性表征技术全球领导者

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