新加坡国立大学（NUS）研究团队提出了一种新的合成策略，通过在液-固界面直接聚合单体，成功制备了具有可控层叠结构的二维共价有机框架（COFs）。
NUS的这一突破性成果，不仅展示了该校在材料科学领域的深厚实力，也为全球科研人员提供了新的研究思路和方向。
研究团队与成果发表
新加坡国立大学化学系罗健平（Loh Kian Ping）教授的团队通过创新性方法，成功实现了双层共价有机框架（COFs）的合成。
研究团队利用溶液中的扫描隧道显微镜（STM）技术实时捕捉了其分子组装过程，揭示了其在溶液中堆叠的独特现象。
该成果于2025年2月20日发表在《Nature Chemistry》上，为二维材料的设计和应用提供了新的思路，为未来在催化、能源存储和气体分离等领域的应用奠定了基础。
成果发表页面 来源：Nature官网
双层COFs的合成与动态成像
研究团队通过在液体-基底界面直接缩合化学分子，成功合成了大面积的双层共价有机框架（COFs）。
利用溶液中的扫描隧道显微镜（STM）技术，团队首次实时捕捉到了单层和双层COFs的分子组装过程。
这一技术突破克服了传统STM在空气或超高真空条件下成像的限制，为研究二维材料的动态自组装过程提供了新的视角。
此外，团队通过精确调控分子结构和溶剂混合比例，实现了大面积莫尔超晶格的形成，并展示了其在电子性质和光学行为上的独特表现。
例如，通过对比不同单体结构（如2,7-芘二硼酸和1,6-芘二硼酸），研究揭示了如何通过分子设计实现特定的堆叠模式，进而调控材料的电子和光学特性。
采用扫描隧道显微镜 (STM) 研究
扭曲双层共价有机框架 (COF) 上的莫尔超晶格的形成
来源：NUS官网
分子结构与扭转角的调控机制
研究团队对比了两种不同的单体异构体——2,7-芘二硼酸（27-PDBA）和1,6-芘二硼酸（16-PDBA），发现16-PDBA具有更平坦的电静电力，有利于形成扭曲相。
通过密度泛函理论（DFT）计算和STM图像的比较，研究揭示了如何通过合理设计前驱体分子来精确控制堆叠角度。
例如，特定的堆叠角度（如8.4°）对于实现稳定堆叠结构具有关键作用。
此外，研究还表明，通过调整溶剂的组成和分子结构，可以实现大面积莫尔超晶格的形成。这种扭转角的调控能力为二维材料的电子相调控和新型超导、铁磁性材料的设计提供了新的思路。
(a)由 2,7 PDBA 组装成的未扭曲双层 COF 的 STM 图像
(b) 由 1,6 PDBA 组装成的扭曲双层 COF，显示出莫尔超晶格
来源：NUS官网
双层COFs的应用前景
该研究不仅在基础研究层面具有重要意义，还为实际应用提供了广阔的可能性。
超薄多孔有机薄膜的可控合成使其在纳米过滤领域具有巨大潜力，例如，通过精确控制通道结构，双层COFs可以作为超薄过滤层，用于高效分离气体或液体中的杂质。
此外，双层COFs的扭转角调控能力还为光学材料的设计提供了新的方向，通过改变扭转角，可以实现对光传播的相位和偏振控制，有望应用于新型光学器件和光子学领域。
未来，研究团队计划将这一概念扩展到更广泛的分子前驱体类别，并探索其在不同应用场景中的性能表现。
例如，通过设计新型前驱体分子，可以实现更复杂的堆叠结构和更精细的扭转角调控，进一步优化材料的性能。
此外，团队还将探索双层COFs在实际应用中的稳定性、可扩展性和成本效益，推动其从实验室走向工业应用。
随着科技的不断进步，二维材料的研究正逐步从理论走向实际应用。我们期待未来能有更多的创新成果诞生，推动二维材料技术走向更广阔的应用前景。
