常温一步法在任意基底上合成高结晶COF镀膜 | 上海楷树化学科技有限公司

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常温一步法在任意基底上合成高结晶COF镀膜

摘要
本研究Science Advances 2026, 12(19), eaee1769中，研究人员搭建声流体雾化反应平台，实现常温常压下一步快速合成高结晶度共价有机框架（COFs），同步完成材料在各类基底的直接镀膜沉积。
1. 研究以二维、三维亚胺基COFs为研究对象，通过调控雾化时长，即可制备20 nm~1.5 μm厚度均匀的高质量COF薄膜。
2. 该技术彻底摒弃传统工艺所需的高温后处理、二次改性等工序，可适配异形曲面、柔性材料及活体生物组织等热敏复杂基底。
3. 团队通过植物叶片紫外防护验证应用价值，证实镀膜可高效抵御紫外线损伤且不破坏植株细胞活性，极大拓宽了COFs的产业化应用场景。

研究背景
1. 行业问题：
传统溶剂热法仅能制备COF粉末，难以直接用于器件集成与表面镀膜；现有镀膜工艺依赖高温、密闭腔体处理，无法适配大尺寸、非平面及热敏生物基底，且易造成基底损坏、结晶度不足，严重限制COFs实际落地应用。
2. 现有研究：
业内已开发气相诱导转化、界面薄膜生长、逐层组装等COF镀膜技术，可实现常规硬质平面基底的成膜制备。但这类技术普遍存在工艺繁琐、制备成本高、基底兼容性差等问题，无法实现热敏、柔性、异形基底的无损镀膜，难以兼顾薄膜结晶度、基底完整性与规模化制备需求。
3. 本文创新：
1) 该研究创新搭建声流体微流控雾化一体化平台，以高频声波驱动前驱体溶液雾化，在常温无热源条件下触发COF结晶，实现合成-雾化-镀膜一步同步完成。
2) 无需任何后加热处理，适配平面、管状、纹理曲面等任意形貌基底及多元材质，还可搭配掩模板实现图案化镀膜，突破了传统工艺的基底限制与工艺短板。

实验部分
1. 多类型亚胺基COFs快速合成：
以铌酸锂压电晶片为核心，施加10MHz共振交流电激发表面反射体波，将胺、醛类前驱体溶液撕裂为微米级气溶胶液滴。液滴飞行中溶剂快速挥发形成过饱和环境，30 s~12 min即可完成结晶，成功制备4种二维COFs（DMTP-TAPB、TAPB-BTCA、TAPB-PDA、TAPA-BTCA）与三维COF-300，所有产物结晶度优异。对照实验证实，无雾化条件下前驱体混合液1 min无结晶产物，10 min仅生成低结晶沉淀，凸显雾化驱动快速结晶的核心优势。
2. 广谱基底可控镀膜实验：
以硅片为基底，调控雾化时长1~12 min，精准制备20 nm~1.5 μm连续均匀的COF涂层。成功在试管曲面、织物、塑料、铝材料、活体叶片等软硬、异形、热敏基底上实现无损镀膜；基底表面官能团可增强前驱体吸附，官能团丰富的基底成膜厚度更优，工艺适配性极强。
3. 涂层稳定性与力学性能实验：
纳米压痕测试表明，玻璃基底附着的COF薄膜力学性能达文献最优水平，涂层比磨损率为37 mm³/N·m，界面粘附性良好。涂层经纯水、不同浓度乙酸、盐酸浸泡3天，结构无破损，水热与酸碱稳定性优异；镀膜后玻璃水接触角由70°提升至114°，基材疏水性显著增强。
4. 活体植物紫外防护应用实验：
以绿萝活体叶片为研究对象，掩膜遮挡分区后3 min雾化完成单侧镀膜。在365 nm、53 mW/cm²强紫外光持续辐照3天后，未镀膜区域细胞严重损伤，镀膜区域叶片完好。剥离涂层后植株可正常存活60天以上，FDA染色证实镀膜不影响叶片细胞代谢活性，且COF涂层可选择性阻隔紫外光、透过可见光，保障植物正常光合作用。

分析测试
1. 结构表征：
GIWAXS、PXRD测试证实短时间合成的COF产物具备长程有序晶体结构，衍射峰规整尖锐。HR-TEM观测到DMTP-TAPB COF规整六方介孔结构，实测孔径3.0 nm，与理论值3.1 nm高度吻合；
2. 吸附与孔隙：
五种COFs均具备发达永久孔隙结构，BET比表面积达到同期文献最优水平。纸张基底镀膜后可完整保留孔隙特性，且涂层厚度增加可同步提升薄膜结晶度与孔隙率。
3. 热稳定性：
TGA测试显示所有样品热稳定温度可达500 ℃，高温耐受性优异。
4. 界面与光学性能测试：
XPS测试证实COF涂层与基底以静电作用力稳固结合，无共价键交联。紫外可见光谱表明，COF涂层对紫外光强吸收、可见光高透过，且屏蔽效果随涂层厚度增加而提升，适配生物防护应用需求。

机理分析
1. 常温快速结晶机理
1) 10MHz高频声波形成的微米级气溶胶液滴，拥有独特的中等溶剂挥发速率，可快速营造液滴内过饱和环境，推动胺醛缩合可逆反应向晶体生成方向偏移。既加速晶核快速生长，又抑制前驱体分解、骨架断裂等逆反应，短时间内形成长程有序高结晶COF；
2) 大尺寸液滴挥发效率不足，仅能生成非晶劣质涂层，印证液滴尺寸是快速结晶的核心关键。
2. 广谱镀膜附着机理
1) 超细雾化晶体颗粒随气流均匀沉降至各类基底表面，依靠静电吸附作用稳固附着，无需共价键交联即可形成完整连续涂层。
2) 基底表面极性官能团可强化静电吸附效应，提升沉积效率，让工艺不受基材外形、软硬、材质属性限制。
3. 生物兼容与紫外防护机理
COF共轭骨架可特异性捕获紫外光子、透过可见光，在不影响植物光合呼吸的前提下实现高效紫外屏蔽。全程常温合成、无有毒试剂残留，涂层理化性质温和，不会破坏植物细胞结构与代谢活性，具备优异生物相容性。

总结
本研究开发的声流体雾化一步镀膜技术，在常温常压极简条件下实现多种二维、三维COFs超快合成与原位镀膜，省去所有后处理工序，工艺简洁、可扩展性强。技术突破传统基底限制，首次实现活体生物组织无损COF镀膜，开拓了COFs生物应用新赛道。成功验证植物紫外防护功能，为农业抗逆防护、生物界面改性、柔性功能器件制备提供了全新技术方案。

文章标题：Ambient one-step synthesis and direct coating of highly crystalline covalent organic frameworks on arbitrary surfaces
文章作者：Javad Khosravi Farsani, Juan Pablo Cavalieri, Omid Mazaheri, Fred Junghans, Jorge Albalad, Billy J. Murdoch, Caiden J. Parker, Ravichandar Babarao, Daniel Maspoch, Amgad R. Rezk, Joseph J. Richardson, Leslie Y. Yeo
DOI：10.1126/sciadv.aee1769
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee1769

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