新加坡國立大學（NUS）研究團隊提出了一種新的合成策略，通過在液-固介面直接聚合單體，成功製備了具有可控層疊結構的二維共價有機框架（COFs）。

NUS的這一突破性成果，不僅展示了該校在材料科學領域的深厚實力，也為全球科研人員提供了新的研究思路和方向。

研究團隊與成果發表

新加坡國立大學化學系羅健平（Loh Kian Ping）教授的團隊通過創新性方法，成功實現了雙層共價有機框架（COFs）的合成。

研究團隊利用溶液中的掃描隧道顯微鏡（STM）技術實時捕捉了其分子組裝過程，揭示了其在溶液中堆疊的獨特現象。

該成果於2025年2月20日發表在《Nature Chemistry》上，為二維材料的設計和應用提供了新的思路，為未來在催化、能源存儲和氣體分離等領域的應用奠定了基礎。

成果發表頁面 來源：Nature官網

雙層COFs的合成與動態成像

研究團隊通過在液體-基底介面直接縮合化學分子，成功合成了大面積的雙層共價有機框架（COFs）。

利用溶液中的掃描隧道顯微鏡（STM）技術，團隊首次實時捕捉到了單層和雙層COFs的分子組裝過程。

這一技術突破克服了傳統STM在空氣或超高真空條件下成像的限制，為研究二維材料的動態自組裝過程提供了新的視角。

此外，團隊通過精確調控分子結構和溶劑混合比例，實現了大面積莫爾超晶格的形成，並展示了其在電子性質和光學行為上的獨特表現。

例如，通過對比不同單體結構（如2,7-芘二硼酸和1,6-芘二硼酸），研究揭示了如何通過分子設計實現特定的堆疊模式，進而調控材料的電子和光學特性。

採用掃描隧道顯微鏡 (STM) 研究

扭曲雙層共價有機框架 (COF) 上的莫爾超晶格的形成

來源：NUS官網

分子結構與扭轉角的調控機制

研究團隊對比了兩種不同的單體異構體——2,7-芘二硼酸（27-PDBA）和1,6-芘二硼酸（16-PDBA），發現16-PDBA具有更平坦的電靜電力，有利於形成扭曲相。

通過密度泛函理論（DFT）計算和STM圖像的比較，研究揭示了如何通過合理設計前驅體分子來精確控制堆疊角度。

例如，特定的堆疊角度（如8.4°）對於實現穩定堆疊結構具有關鍵作用。

此外，研究還表明，通過調整溶劑的組成和分子結構，可以實現大面積莫爾超晶格的形成。這種扭轉角的調控能力為二維材料的電子相調控和新型超導、鐵磁性材料的設計提供了新的思路。

(a)由 2,7 PDBA 組裝成的未扭曲雙層 COF 的 STM 圖像

(b) 由 1,6 PDBA 組裝成的扭曲雙層 COF，顯示出莫爾超晶格

來源：NUS官網

雙層COFs的應用前景

該研究不僅在基礎研究層面具有重要意義，還為實際應用提供了廣闊的可能性。

超薄多孔有機薄膜的可控合成使其在納米過濾領域具有巨大潛力，例如，通過精確控制通道結構，雙層COFs可以作為超薄過濾層，用於高效分離氣體或液體中的雜質。

此外，雙層COFs的扭轉角調控能力還為光學材料的設計提供了新的方向，通過改變扭轉角，可以實現對光傳播的相位和偏振控制，有望應用於新型光學器件和光子學領域。

未來，研究團隊計劃將這一概念擴展到更廣泛的分子前驅體類別，並探索其在不同應用場景中的性能表現。

例如，通過設計新型前驅體分子，可以實現更複雜的堆疊結構和更精細的扭轉角調控，進一步優化材料的性能。

此外，團隊還將探索雙層COFs在實際應用中的穩定性、可擴展性和成本效益，推動其從實驗室走向工業應用。

隨著科技的不斷進步，二維材料的研究正逐步從理論走向實際應用。我們期待未來能有更多的創新成果誕生，推動二維材料技術走向更廣闊的應用前景。