研究背景

随着科学技术的不断进步，人们对能够利用、转化和储存能量的功能材料的需求日益增加。其中，共价有机框架（COF）作为一类具有潜在应用前景的材料引起了人们的广泛关注。COF是一种多孔有机聚合物，其具有结构可控性和功能可调性，因此被认为是一种具有广泛应用前景的材料，尤其在光催化、电催化、质子导体等领域具有重要潜力。然而，尽管在过去20年中进行了大量的研究，但至今仍然缺乏对COF合成条件的一致性预测规则。

COF的合成条件对其性能和质量具有重要影响，但目前对于这些合成条件的设计仍然主要依赖于经验法则和试错方法，缺乏系统性和理论基础。这主要是因为在COF形成的早期阶段，特别是在聚合反应的起始阶段，作者对反应机制和分子交互的理解尚不完整。因此，有必要开展对COF形成过程中这些早期阶段的深入研究，以便更好地理解其形成机制，并为其合成条件的有理设计提供理论指导。

为了解决这一问题，德国慕尼黑大学的Richard Martel & Emiliano Cortés等研究者提出了采用新的研究方法来探索COF的形成过程。他们认识到现有方法难以获取到反应的早期阶段信息，因此需要开发新的技术手段来实现对COF合成过程的实时监测和表征。

在这项研究中，科学家们选择了一种光学技术，即干涉散射显微镜（iSCAT），用于进行操作内的COF聚合和框架形成的研究。iSCAT具有高灵敏度、高速度和高空间分辨率的特点，能够在实际反应条件下实现对复杂混合物中各种物质的实时监测，为研究COF形成过程提供了强有力的工具。    

通过利用iSCAT技术，研究人员能够实时监测COF形成过程中的各个阶段，从溶剂混合到分子交互再到聚合和框架形成的各个步骤。他们的研究发现了液-液相分离的现象，并揭示了溶剂在COF合成过程中的重要作用，从而为COF的合成条件设计提供了新的思路。具体地，他们提出了一种在室温下进行COF合成的新方案，通过优化反应环境，实现了对COF合成过程的有效控制。

因此，这项研究填补了COF形成过程中早期阶段的研究空白，为COF的合成条件设计提供了理论基础和实验指导，有助于推动COF材料的合理设计和应用。相关研究在“Nature”期刊上发表了题为“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的最新论文。

科学亮点

（1）实验首次采用干涉散射显微镜技术（iSCAT）进行COF聚合和框架形成的操作内研究。通过这项技术，研究人员能够在高时间和空间分辨率下观察COF形成的早期阶段，这在以往研究中是盲区。    

（2）实验结果表明，在COF的形成过程中存在液-液相分离现象，这指示出在传统COF合成中存在着结构溶剂，形成无表面活性剂的微乳液。这一发现揭示了溶剂在COF合成中的重要作用，不仅限于溶解反应物，还通过将反应物和催化剂分隔开来起到了动力学调节剂的作用。

（3）利用iSCAT技术，研究人员发现通过对反应条件进行设计，可以在室温下实现COF的合成，而不需要提高温度。这项工作将框架合成与液相图连接起来，为有理设计反应环境提供了新途径，强调了光散射技术在化学反应研究中的重要性。

图文解读

图1：iSCAT是全面了解COF形成机制的有效工具。

图2. 实时iSCAT图像在空间和时间上显示COF的形成，在添加催化剂后的毫秒内显示液-液相分离过程。

图3. 常规碳纳米管合成中的溶剂结构。

图 4：合理设计了COFs的室温合成方案。

总结展望

本研究揭示了使用干涉散射显微镜（iSCAT）技术进行 COF 合成的新途径，为湿化学过程的解析提供了强大工具。通过直接成像，作者能够深入了解COF形成过程中的复杂动态，从而为合成条件的优化和控制提供了新的思路。特别是，作者成功开发出了一种在温和条件下合成COF的新合成方案，这有望降低合成成本、提高合成效率，并拓展了COF在实际应用中的潜力。

此外，通过利用液相图定制COF反应环境的策略，作者不仅可以有效地优化反应条件，还可以在材料合成领域探索更广泛的应用。这一策略的成功应用为材料合成提供了一种新的范式，强调了光散射技术在理解化学反应中的重要性。总的来说，本研究不仅为 COF 合成提供了新的方法和策略，还为湿化学过程的研究提供了一种全新的视角。

原文详情：

Gruber, C.G., Frey, L., Guntermann, R. et al. Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando. Nature (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07483-0