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许秋之前和深城那家光电公司要来的小样,已经寄到了材一门房。
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他忙取了回来,一共有七种聚合物给体材料,每种10毫克到20毫克不等,用的是小玻璃瓶包装的,他也没有刻意避讳其他人,简单解释了下来路。
材料呈现蓝色、紫色或是黑色纤维状,许秋检查了一番后,很是满意,将它们复制到模拟实验室中,并传入旋涂手套箱中保存。
昨天报道后,他顺便在选课网站上选了课,这学期只有一门《毕业设计》,相当于没有课,陈婉清博士二年级,课程已经全部修读完毕,韩嘉莹倒有两门课,不过不在周一。
于是,午饭后,有机三人组乘坐校车前往张疆实验室。
陈婉清上周完成了D单元的醛基化并成功提纯,这周打算重新合成上周失败了的a单元。
许秋和韩嘉莹则打算继续进行PDI体系的第三步反应,合成二聚体PDI。
PDI的二聚体有两类,一种是桥接型,另一种是扭转型。
桥接型的合成,两分子的单溴代PDI和一分子的双三甲基锡取代的D单元反应,生成PDI-D-PDI的结构,D单元可以是噻吩、双噻吩、乙烯基等具有共轭结构的单元,反应原理是stille反应,类似于之前合成聚合物给体分子,但由于PDI是单溴取代的,反应会停留在二聚体,而无法继续反应生成聚合物。
扭转型的合成是个新反应,两分子的单溴代PDI,在锌粉、零价钯催化剂作用下,发生偶联反应,得到PDI-PDI的结构,通常采用DmF作为溶剂。
虽然算是新反应,但两个反应的难度并不大,属于入门级的实验。
办公室中,只有许秋、韩嘉莹二人在做实验前的准备,陈婉清只是重复上周的实验? 因此不需要准备工作。
“师兄? 我们怎么分工?”韩嘉莹坐在电脑问道。
“每人投两个反应,一种桥接型? 一种扭转型的? ”许秋随意道:“就按照我们之前合成的顺序吧,我做1号、2号? 你做3号、4号,1、3号桥接型? 2、4号扭转型? 每种投100毫克试试水。”
“没问题。”韩嘉莹立刻开始操作手中的笔记本电脑,计算着各反应物的投料量。
之前她们在chemDRaw软件中绘制过反应步骤,直接框选原料的分子结构,软件就能计算出其相对分子质量。
将几种原料、催化剂的相对分子质量? 输入到预设的“投料质量计算”eXceL中? 再输入几种试剂的投料当量,最后确定某一原料的初始质量,即可自动计算每种试剂的投料量。
几分钟后,韩嘉莹手中拿起四张便签纸,将其中两张交给许秋? 问道:“师兄,等下的实验有什么注意事项吗?”她已经养成了实验前请教许秋的习惯了。
许秋想了想道:“一方面要保证无水无氧条件? 催化剂用的是零价钯嘛,你应该懂的? 另一方面的话,要保证产物的纯度? 等下反应前再点一次板确认一下。”
韩嘉莹点点头? 深以为然道:“有道理? 陈婉清学姐上周就是前车之鉴啊,七八个样品点,就像糖葫芦一样。”
带着便签纸,两人进入实验室,将他们贴在通风橱的玻璃上。
说起来,通风橱的玻璃,在许秋进课题组前曾被段云写满了记号,后来在吴菲菲和陈婉清的一致要求下,他才用乙醇、丙酮这些溶剂给擦洗干净了。
现在段云几乎不来张疆做实验了,他的材料,包括n2200、PVDF以及几种金属纳米线,都是找商业化的渠道购买,然后直接在邯丹的手套箱中完成制备,再用他自己搭设的测试设备进行测试。
而田晴新负责起来的钙钛矿量子点项目,之后倒是有可能要来张疆做合成。
……
开始实验。
重蒸溶剂,这回的四个反应选择的都是DmF溶剂,其实和以往一样用甲苯,理论上也是可以的,不过文献上写的是DmF,他们也就没有更换。
准备反应瓶,加入磁力搅拌子,准备氮气球。
点板确认药品纯度,称量药品,加入溶剂,连接冷凝装置、氮气球,三抽三排。
加入催化剂,三抽三排,迅速升温,外部贴铝箔纸保护反应瓶。
搞定,橙红色的溶液犹如一锅番茄汤。
另外一个反应的步骤也是类似的,许秋很快再次搞定。
然后,他惊讶的发现,韩嘉莹投反应的速度竟不慢于他多少,只落后他一分钟不到。
想想也不奇怪,学姐做实验属于稳健型的,因而比较慢,学妹做实验还是比较莽的,有点像他。
韩嘉莹收拾着通风踹中的实验垃圾,随口问道:“这周我们要回邯丹做器件吗?”
许秋想了想道:“等这次的产物提纯后,回去做几批器件吧。”
这主要是给学妹和魏老师一个交待,他们不似他有模拟实验系统,可以直接拿到效率数据,其次,陈婉清之后几天也要用到液相色谱仪,他们前往邯丹的话,刚好可以错峰使用。
“师兄觉得效率能有多少呀?”
“我猜5%-6%吧,毕竟几乎是完全重复现有体系的,总不能比文献的数值还要高吧。”之前简单PDI分子能达到3.5%,现在改性后的PDI二聚体达到5%以上,理论上并不难,除非是合成反应失败了。
“可惜这个结果不能用来发文章。”
“那没办法,二聚体已经被研究很多年了,分子结构就有限,基本上能想到的结构都被发表了,”许秋话锋一转:“不过,3D-PDI的操作空间就大很多了,中间的核可以随意调节,有非常多的可能性。”
“其实关于3D-PDI这段时间我也一直在思考,有了一些实验想法。”
“哦,说来听听。”许秋眼前一亮,顿时有了兴趣。
“常见有机光伏材料中,同为芳香环的噻吩环的应用明显多于苯环,但第一篇3D-PDI的工作,他们采用的是三苯胺,并没有引入噻吩。”韩嘉莹顿了顿,继续道:
“我觉得或许可以基于他们的体系进行改进,比如在苯环上连接三个,甚至四个噻吩,再和PDI分子相连,形成3D-PDI结构。”
“师兄,你觉得怎么样?”说完,韩嘉莹满脸期待的盯着许秋。
“这个想法不错,有一定的可行性。”许秋自然不吝赞扬,学妹听到后很是开心,眼睛眯成了一个小月牙。
之前大多数的时候都是他提出实验想法,让学妹执行,而现在她已经产生了自己的实验想法,而且分析的还是有一定道理的。
这让他不禁产生儿子终于养大了的感觉。
其实,这段时间许秋也没有闲着,他抽空罗列出若干种可行的分子结构。
然后配合模拟实验室的DFT模拟,排除掉一些空间位阻不合理的结构,得到十数种可行方案,而学妹的这个想法就是他的备选方案之一。
……
之后,许秋和韩嘉莹提纯了四种产物。
因为原料很纯,且这步反应几乎没什么副反应,得到的主要产物均只有一种,提纯难度并不高。
产率大致在50-70%之间,只有几十毫克的产物,不过倒也暂时够用。
上周学妹送样的表征数据陆续返回,结果和许秋在模拟实验室II中得到的近乎一致,收到消息后韩嘉莹和陈婉清皆是一喜。
学妹是因为表征结果验证了她之前的猜想是正确的,而且之后她和许秋投的反应都是基于她的“推断”,自然很开心。
学姐则是因为验证了D单元是双醛基取代的,可以安心的进行后置的反应。
此外,许秋他们也取得基于合成的PDI分子的第一批器件数据,效率最高值5.21%,体系是Pce10:PBI-5,器件当然是韩嘉莹做的。
PBI就是PDI二聚体的名称,后面再加上代表其侧链碳原子数的数字,或是桥单元的名称,比如PBI-5、PBI-2-T之类的。
许秋用模拟实验室II,消耗12小时,1200积分,基于四种PDI二聚体受体,初步遍历了一遍现有的给体库,效率最高值是5.86%。
然后,收获了两个初步的实验结论:
第一,桥接型的PDI二聚体比扭转型的光电性能差,当然这只是个初步结论,因为变量还有很多,也可能和中间桥单元的选择有关。
第二,在PDI分子二聚后,对侧链碳原子的数量要求多于简单PDI分子,许秋推测是因为单个分子的尺度变大了,所以需要更多的侧链才能保证原有的溶解度。
总得来说,PDI体系的地基已经打实。
而有机三人组名义上的老大,陈婉清则一直留在张疆实验室,甚至周六都跑过去加了一天班。
历时两周,终于功夫不负有心人,拿到了她合成出来的第一批a-D-a小分子,并被她命名为c1。
虽然许秋和韩嘉莹都吐槽了这个命名,但学姐并没有要改的意思,看来是打算放飞自我了。
然后,许秋在周日偷偷用模拟实验室II帮她实验了一下——基于当前给体库,耗时5小时,初步遍历得到的最高效率只有0.67%。
emmm……
也不知道学姐得到这个结果会做何感想。