Là nội dung chính trong đề tài nghiên cứu mà nhóm tác giả Phạm Trần Nguyên Nguyên, Phạm Quang Hưng, Trang Mộc Khung (Viện Khoa học Công nghệ Tính toán) và cộng sự đã thực hiện. Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra mối quan hệ giữa cấu trúc COF với các tính chất của chúng, tạo cơ sở quan trọng cho việc thiết kế hiệu quả vật liệu dẫn điện và hấp phụ khí từ COF.

Vật liệu khung hữu cơ COF (Covalent Organic Frameworks) là một loại polymer xốp ở dạng tinh thể, được tạo thành từ sự kết hợp của các đơn vị hữu cơ là các nguyên tố nhẹ như B, C, O…theo liên kết cộng hóa trị. COF có cấu trúc khung, dạng tinh thể mở rộng, khối lượng riêng thấp, độ bền nhiệt cao, có diện tích bề mặt riêng và lỗ xốp lớn. Nhờ các tính chất đặc biệt này mà COF có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ hydrogen, methane và công nghệ bán dẫn. Hiện nay, tiềm năng của COF trong lĩnh vực bán dẫn và hấp phụ ở nước ta vẫn chưa được khai thác, vì vậy, đề tài tập trung phát triển vật liệu COF định hướng đến tính dẫn điện và hấp phụ bằng phương pháp mô phỏng Monter Carlo (GCMC) và tính toán cấu trúc tuần hoàn (DFT).

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện đề tài với 2 nội dung. Nội dung thứ nhất là nghiên cứu tính dẫn điện của COF 2D gồm: xác định cấu trúc COFs chính xác bằng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT; nghiên cứu cấu trúc hóa học, cấu trúc vùng và tính chất điện tử của COFs thông qua việc phân tích sự phân bố electron trong hệ thống; phân tích ảnh hưởng của linker lên cấu trúc vùng năng lượng dựa trên 2 yếu tố là ảnh hưởng của hệ thống π liên hợp và thành phần nguyên tố. Nội dung thứ 2 là nghiên cứu tính hấp phụ của COF 3D nhằm tập trung tìm kiếm cấu trúc vật liệu mới cho hấp phụ khí metan cao.

Đề tài đã thu được các kết quả khả quan ở cả hai hướng ứng dụng bán dẫn và lưu trữ khí. Kết quả ở hướng ứng dụng bán dẫn gồm: xây dựng và tính toán thành công các cấu trúc COFs đã được tổng hợp; tạo ra một loạt các cấu trúc COFs mới, đa dạng trong giá trị khe năng lượng từ phương pháp kiểm soát và thiết kế tính chất vật liệu COFs; tìm ra 2 vật liệu COFs với tính chất của kim loại bằng cách thay thế dần các nguyên tử carbon trong linker. Ở hướng ứng dụng lưu trữ khí, các nhà khoa học cũng đã tìm ra 2 vật liệu COF mới có dung lượng hấp phụ và làm việc tại 35 bar cao là JST-thio (138,5) và JSR-thio (139,6), đồng thời đề xuất về việc mở rộng cấu trúc, thay đổi nhóm thế chức năng trên khung vật liệu để tìm ra cấu trúc hấp phụ đáp ứng các điều kiện của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE).

Nguồn: CESTI