新加坡国立大学
图1:重建的三方(HFPTP-PDA-COF，左)、四方(TFBCz-PDA-COF，中)和六方(TTA-TFB-COF，右)共价有机框架的三维结构
信用:自然传播 新加坡国立大学的化学家开发了共价有机框架的疏水多孔纳米通道，可用于限制和运输水簇
水是日常生活中必不可少的，它的行为在不同的宿主材料中会有所不同
例如，在亲水水凝胶中捕获的水可以导致水分子紧密锁定在材料中
另一方面，疏水材料强加了一种先入为主的观念，即当水分子排斥它们时，它们对水分子的亲和力较弱
这个想法排除了对疏水材料中水限制的广泛研究
新加坡国立大学化学系江东霖教授领导的研究小组已经实现了疏水微孔材料中的水限制
他们通过在疏水环境中缠绕“伪亲水性”条带，成功地利用他们专门开发的材料，即疏水性结晶微孔共价有机框架(COFs)来限制水分子
该团队进一步确定了不同拓扑结构(三角、四方和六边形通道)在实现水簇基吸附中的孔径极限
这些发现对于水热泵的未来设计、水的输送和分离以及实现快速水输送材料的单管流具有重要意义
研究人员开发了三种不同的材料设计，三角形、四边形和六边形微孔共价有机框架，具有高孔隙率(见图1)
框架本身是疏水的，通过极性碳氮亚胺键连接
这些极性位点垂直排列，在形成通道的疏水壁内形成“假亲水性”条带
水分子优先与“假亲水”条相互作用成核
这些水分子然后成长为适合的小簇，然后被吸附到通道中
结果，这些微孔COFs能够容易地包含水分子
通道内90%以上的自由空间可以被水分子占据
有趣的是，在这些渠道中，水的行为不像散装水
相反，当被限制在这些通道中时，大量水中存在的大量氢键网络被分解并重建成小簇
这可能会改变水的内在特性
图2:空置的HFPTP-PDA-COF(左)和甲基化的HFPTP-二甲基乙丙橡胶-COF(右)墙上的“亲水”单链C=N链(蓝色链)
结构中甲基的加入(右)增强了整个框架的疏水性，阻止了水分子的吸收
信用:自然传播 研究人员还发现，在三种不同的设计中，这些水簇的行为对三角孔设计更为敏感
通过在三角孔壁上添加甲基(CH3)可以很容易地切断水蒸气的吸附(见图2)
将表面工程技术应用于孔隙，水分子的吸附量可以减半，从93%降至49%
水吸附行为的这些显著变化表明，COFs中的分子设计对于控制材料中水的进入是重要的
这种精细控制在其他材料中很少见，也很难实现
利用从这项工作中获得的知识，该团队计划进一步探索COFs和水分子之间的相互作用
江东霖教授说:“我们的研究发现表明，小疏水孔可以成为开发改变游戏规则的技术的核心角色，这些技术用于水的吸收、运输和分离以及热泵能量转换
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