Поробки з природного матеріалу: Презентація «Поробки з природного матеріалу»

робимо покроково з натурального матеріалу (120 фото)

Вироби з природного матеріалу: майстер-клас з найкращими ідеями виробів + схеми та шаблони для роботи

Займатися творчістю завжди цікаво. Процес, у якому створюється своїми руками щось гарне чи корисне, поглинає всю увагу, налаштовує на позитив. Не завжди для хобі потрібні рідкісні елементи.

Величезний простір для творчості відкривається при використанні різноманітних матеріалів, створених самою природою. Справедливо зауважити, що для дитячих виробів природні матеріали просто незамінні. І в дитсадку, і в школі дітки вчаться творити, використовуючи прості предмети з природного світу. Фото виробів із природного матеріалу часто представлені на виставках найкращих робіт.

Підготовка до роботи

Для початку творчого процесу необхідно зібрати або знайти природні дари, з яких фантазія створить унікальні вироби.

Найбільш слушним часом для заготівлі природного матеріалу можна вважати літо та осінь, саме тоді під час прогулянки на свіжому повітрі можна зібрати безліч різноманітної сировини.

Квіти, різнобарвне осіннє листя, сухоцвіти, шишки, засохлі ягоди, жолуді, каштани, соломку, гілки, насіння — все знадобиться, щоб створити вироби з природних матеріалів своїми руками. Усі приготовлені засоби необхідно очистити, вимити та висушити.

Прості вироби з листя та пелюсток

Щоб створити аплікації з осіннього листя, потрібно просто вийти на вулицю, подивитися під ноги та зібрати різні за формою та кольором листя дерев та кущів. Особливо підходять такі вироби із природного матеріалу для дітей, зробити їх зовсім нескладно, розвивають уяву та фантазію.

Можна запропонувати дитині створити з кількох листочків тварину, яку вона бачить, рибок, метелика, павича з пишним хвостом із листя. Листя можна розташувати на папері букетом і прималювати до нього, або вирізати із кольорового картону, вазу. Якщо приклеїти до аркуша рамку, вийде повноцінна картина.

Креативно виглядають відбитки ступнів, виконані зі складених певним чином листочків. З вузького тонкого листя вдасться виконати силует жіночої особи. Оформити листям брови, очі, ніс, губи, напрямки чола, підборіддя, шиї — і з аркуша прямо на вас дивиться дівчина.

З пелюсток квітів, засушених або свіжозірваних, можна зібрати красивих метеликів або кольорових акваріумних рибок, а також зробити аплікації з різнокольоровими хитромудрими візерунками.

Прекрасною ідеєю для виробу із природного матеріалу є закладка із засушених пелюсток. Дуже красиво виглядає та знайде практичне застосування. Різнобарвні засушені пелюстки потрібно розмістити на смужці широкого скотчу, керуючись своєю уявою. Зверху заклеїти другою смужкою скотчу.

Вироби з насіння

Гарбузове, кавунове, насіння соняшнику знадобиться для творчості дуже доречним. Гарбузове насіння за потреби можна пофарбувати в різні кольори.

Найдоступнішою у виконанні буде ромашка з пластиліновою серединкою та гарбузовим насінням замість пелюсток. Квітку можна видозмінити і зробити об’ємною, якщо насіння розмістити не лише по краях серцевини, а й у середині.

Також біле насіння стане в нагоді для аплікацій, в яких за їх допомогою можна зобразити колоски або квіти конвалії.

З двох видів насіння вийде смішний півник. Покрокова інструкція щодо його виготовлення:

1. З шматка чорного пластиліну зліпити заготівлю майбутнього півника з головою та тулубом.
2. З гарбузового насіння зробити хвіст і крильця півника, прикріпивши їх до заготівлі.
3. Насіння соняшника заповнити всю площу заготовки, що залишилася, прикріплюючи їх гострим кінчиком до пластиліну.
4. Зробити з жовтого пластиліну дзьоб, з червоного — гребінець і борідку.
5. З білого та чорного пластиліну зробити очі півника.
6. Оформити композицію, посадивши півника у кошик із соломою.

Вироби з шишок та жолудів

Спосібів, як зробити вироби з природного матеріалу, використовуючи шишки та жолуді, дуже багато. Діти частіше виготовляють фігурки тварин та чоловічків, поєднуючи природний матеріал за допомогою пластиліну.

Простий у виконанні, але дуже симпатичний ананас вийде з шишки, якщо пофарбувати зовнішні грані шишки у жовтий колір, а в серединку приклеїти зелене листя.

Круглі соснові шишки перетворяться на квіти, якщо прибрати частину лусочок, приклеїти на картон і пофарбувати кілька таких шишок у різні кольори.

Шишки найкраще підходять для новорічних виробів. З них виходять гарні різдвяні вінки, ялинкові прикраси, ними прикрашають свічники, складаються композиції разом із новорічними кулями.

Сова, зроблена з шишки, виглядає кумедно і жваво. Для її виготовлення знадобиться шишка та шматочки фетру. На шишку приклеюються два крила сови, вирізані з коричневого фетру.

Затем приклеюється обличчя з вушками, на якому кріпляться кола спочатку жовтого кольору, потім білого, це будуть очі. Чорним маркером промальовуються зіниці та деталі очей. Прикріплюється помаранчевий трикутник-ніс із фетру. Совушка готова.

Камінці як матеріал для творчості

Морські камінці або галька дозволяють реалізувати безліч оригінальних задумів для виробів своїми руками. Гладка обтічна форма каменів підходить для розвитку художніх навичок, розпису фарбами та створення мозаїки. У виробах можуть поєднуватися з черепашками, намистинками.

Розписувати каміння можна акриловими фарбами, гуашшю або фломастерами. Кілька камінчиків перетворюються на слоника або жирафа, варто лише промалювати на камені кумедну мордочка і деталі обраної тварини.

Цікавою ідеєю буде створення магнітика на холодильник із каменю. На один бік необхідно наклеїти магніт, а інший розписати так, як дозволить розмах фантазії.

Нескладний майстер-клас зі створення виробів із природного матеріалу, зокрема каменю:

• Вибрати відповідний камінь, ретельно вимити та висушити його;
• Намітити простим олівцем основний малюнок малюнка;
• Фарбами розписується камінь відповідно до обраної тематики;
• Деталі промалювати фломастером;
• Дати висохнути.

З розписаного каміння можна створити цікаві картини або композиції, їх можна використовувати як елементи декору для ваз, скриньок, свічників.

Фото виробів із природних матеріалів

Вироби з природного матеріалу на тему осінь для дитячого садка і школи

Якщо ви батьки, брати, сестри маленьких діток, які відвідують дошкільні та шкільні установи, то напевно Вам постійно доводиться стикатися з різними завданнями, як прикрасити дитячий садок, вибір вбрання і з чого його зшити, або якусь саморобку приготувати на тему «осінь».

Звичайно, всім хочеться заощадити купу часу, але при цьому «не впасти обличчям у багнюку» і провести з дитиною незабутній час. Обов’язково дуже просте творіння має виглядати в садку, як серйозна робота і тим самим ви покажіть свою дитину творчою особистістю.

Сьогодні я вам покажу і розповім, як зробити з природного матеріалу саму легку, але на стільки ефектну саморобку. А так само рекомендую поетапну інструкцію кораблики з паперу своїми руками.

Зміст

1. Поробка з природного матеріалу на тему осінь для дитячого садка «Сова»
2. Незвичайна поробка з природного матеріалу на тему осінь у школу для 1 класу
3. Дитячі поробки своїми руками з шишок на тему осінь Лисичка і зайчик
4. Незвичайна виріб будиночок з природного матеріалу
5. Як зробити прості вироби з гарбуза
6. Осіння виріб годинник

Поробка з природного матеріалу на тему осінь для дитячого садка «Сова»

Що знадобиться:

• Різні листя — багато
• Картон білий не щільний — 2 шт.
• Клей олівець, ПВА
• Шпажка бамбукова довга — 1 шт.
• Маркер, фарби

Спосіб виготовлення:

1. Листя необхідно відокремити від гілочок, розрівняти і просушити, це ми зробимо за допомогою праски.

2. На картоні зображуємо сову, розміри робіть на свій розсуд, вирізаємо і обводимо на другому картоні, доходячи до лапок подрисовываем хвіст.

Порада: Якщо все ж вам складно намалювати, можна скористатися шаблонами з інтернету.

3. Верхню частину сови промазуємо клеєм, вставляємо шпажку і склеюємо з другої, нижню (хвіст) не клеїмо. даємо час просохнути.

4. Тепер беремо довгі листя, трохи обрізаємо основу і обклеюємо крила. Ближче до низу розмір листя зменшується. На кожен ряд викладаємо різні листя.

5. Тепер робимо мордочку сові і грудку. Можна намалювати, а можна зробити з листя. Лапки розмальовуємо і робимо кігтики. Задню частину обклеюємо листям на свій розсуд.

6. Тепер можна приклеїти її на гілку яка буде її тримати, на коробку і обклеїти навколо ягодами з гілками.

Сова готова, можна відносити її в сад.

Незвичайна поробка з природного матеріалу на тему осінь у школу для 1 класу

Що знадобиться:

• Шишки — 2 шт.
• Гілочки (одного розміру) — 4 штуки.
• Пластилін
• Жолудь — 1 шт.
• Гілочка

Спосіб виготовлення:

1. Зробимо ніжки, на шишку з допомогою клейового пістолета фіксуємо чотири гілочки однакового розміру. Приклеюємо на низ пластилін для стійкості.

2. Прибираємо з другої шишки середину і приклеюємо головку (жолудь), тепер з’єднуємо обидві половинки, очки і носик робимо з пластиліну.

3. З пластиліну робимо невеликий хвостик, і для рожек використовуємо гілочки приклеюємо їх до голови. Так само рогу можна зробити з пластиліну.

Зробимо кілька таких виробів, помістимо їх на невелику прикрашене листям блюдце і творіння готове.

Дитячі поробки своїми руками з шишок на тему осінь Лисичка і зайчик

Що знадобиться:

• Пластилін
• Шишки — 2 шт
• Каштан — 1 шт

Спосіб виготовлення:

1. Одну шишку розрізаємо навпіл, другу на 1/3 і 2/3 шишки.

2. З пластиліну робимо коржик прикріплюємо її на шишку, надаємо форму мордочки. З двох шматочків пластиліну робимо трикутнички і прикріплюємо до поробки. Оформляємо її оченятами і носиком.

3. Приступимо до тулуба, до другої частини шишки прикріплюємо кульку з пластиліну і надягаємо на нього голову.

4. Такий же кулька кріпимо до задньої частини спини, кріпимо ще одну шишку. Робимо 4 ковбаски з пластиліну дві довшим і тоншим, дві товщі і коротше. Це наші лапки. Лисичка готова.

5. Переходимо до зайчику. Робимо дві ковбаски, наші вушка, невеликі кульки приплюснуті, очі, носик, язычек і все це кріпимо на каштан.

6. На шишку прикріплюємо пластилін і кріпимо голову, так само робимо лапки як і у лисички.

Ось такі легкі і цікаві вироби можна зробити за лічений час.

Незвичайна виріб будиночок з природного матеріалу

Що знадобиться:

• Гілки товсті
• Пакля
• Клей
• Шпажка — 1 шт
• Палички для морозива — багато штук

Спосіб виготовлення:

1. Прибираємо з гілок сучки, нарізаємо їх на однакові колоди по 10 див. Випилюємо пази для їх укладки.

2. Акуратно один за одним укладаємо. Недоліки і стики закладаємо клоччям.

3. На побудовану споруду накладаємо ще 4 колоди, кладемо на верх посередині колоду і по ньому робимо з допомогою маркера позначку у вигляді даху. Зверху випилюємо паз для установки верхній частині.

4. Опиливаем зайве і вирізаємо місце під вікно в самому будинку. Проклеюємо вийшло виріб.

5. З паличок для морозива і шпажки робимо деталі для вікна. Для цього ми обрізаємо палички для морозива на однакові маленькі брусочки, розмір випиляного вікна, склеюємо між собою. і вставляємо. Тепер і з дверима зробимо теж саме, выпилим, клеїмо і вставимо.

6. З допомогою паличок з під морозива зробимо сходинки. А тепер виготовимо основу для даху. Палички накладаємо на дах.

7. А потім приклеюємо деревну кору. Фарбуємо будиночок або лакуємо і наша чудова виріб готова.

Для такого творіння нам знадобитися і татова допомогу.

Як зробити прості вироби з гарбуза

Що знадобиться:

• Гарбуз
• Фарби
• Прикраси
• Кольоровий картон і папір
• Ножиці

Спосіб виготовлення:

1. Напевно, сама легка виріб із цього овоча — оздоблена мордочка з різними атрибутами для прикраси. Для цього нам потрібен плід гарбуза, промальовуємо на нього оченята, ротик, носик, доповнюємо всі солом’яним капелюшком і вуа-ля все готово.

2. Ще можна зробити ось таку фантастичну рибку. Для цього нам потрібно взяти обгортки від кексів, прикрасити їх в будь-який вподобаний Вам колір, у даному разі беремо помаранчевий і ставимо білий горох. В одну з обгорток вставляємо намальований на білому листку очко. З допомогою клею кріпимо плоду хвіст, плавники, очі й рот. Просто, красиво, оригінально.

3. Ну, тепер приступимо до Леву. Тут ви можете використовувати, фетру, картон, фоамиран, ізолон. З сподручного матеріалу вирізаємо вушка, носик. Приклеюємо їх до гарбузі. Оченята і щічки малюємо. З тонкого паперу вирізаємо гриву і хвіст. Приліплюваний їх так само до овочу. Встановлюємо на картонне прикрашену відерце.

Вироби готові, дітки і ви щасливі. Приємного рукоділля.

Осіння виріб годинник

Що знадобиться:

• Картон кольоровий
• Картон від коробки щільний
• Клей
• Листя
• Слива (горіхи або що віддасте перевагу)
• Пластилін

Спосіб виготовлення:

1. Беремо картон вирізаємо 4 однакових кола (діаметр ви обираєте самі), два з щільного картону і два з кольорового.

2. Тепер до щільного приклеюємо кольоровий і теж саме робимо з другим. На один з кіл не кольорову сторону наносимо клей по краю і наклеюємо листя. Другий ряд викладаємо з листочків іншого кольору.

3. Беремо другу частину приклеєного картону і кольоровою стороною накладаємо його на листя.

По краю викладаємо прикраси у вигляді сливи (ви можете взяти шишечки, горішки або щось ще).

4. Із звичайної палички з гілки або пофарбованої зубочистки встановлюємо на годиннику стрілки, на них приклеюємо горіх.

5. З пластиліну робимо 4 вказівника на час. Так само ви можете зробити циферблат із зубочисток або просто намалювати.

Добірка самих легких і на мої погляд цікавих поробок закінчилася. Багато творіння ваша дитина може підготувати самостійно, а Вам залишиться тільки спостерігати за процесом. Сподіваюся, що Вам вони знадобляться. Поки, доки.

Поры внутри пор | Nature Materials

• Опубликовано: 01 мая 2004 г.

Молекулярные фильтры

• Чарльз Р. Мартин ¹ и
• Зузанна Сиви ¹  

Природные материалы том 3 , страницы 284–285 (2004 г. )Процитировать эту статью

Композитная мембрана, в которой наноскопические поры материала выровнены внутри более крупных пор матрицы, приближает нас на шаг к реализации молекулярных фильтров.

Любой, кто прошел элементарный курс химии, знаком с простейшей процедурой разделения — фильтрацией, — при которой для отделения частиц твердого вещества от жидкого раствора, в котором оно взвешено, используется тонкая пористая пленка. Жидкость проходит через поры в фильтре, но частицы не проходят и находятся сверху фильтра. Что, если бы эту простую идею можно было распространить (или, точнее, уменьшить) на молекулы? То есть, что, если бы поры были настолько малы и одинакового диаметра, что фильтрующая мембрана могла бы надежно отделять небольшие органические молекулы в зависимости от их размера? Такой молекулярный фильтр может найти применение в фармацевтической промышленности для отделения молекулы лекарства от ее более мелких молекул-предшественников или, возможно, в нефтехимической промышленности для отделения больших молекул углеводородов от малых. В этом выпуске Природные материалы , Ямагути, и др. . опишите важный шаг к разработке такой мембраны для молекулярной фильтрации ¹ .

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Высокогидрофильная гибридная мезопористая мембрана поли(винилиденфторид)/мезо-титан для фотокаталитического мембранного реактора в воде

  • Мэн Ван
  • , Гуан Ян
  •  … Юн Чен

  Научные отчеты Открытый доступ 12 января 2016 г.

• Анализ биохимических веществ на основе нанопор

  • Наннан Лю
  • , Зекун Ян
  •  … Фань Ся

  Микрохимика Acta Открытый доступ 25 июля 2015 г.

• Органическая/неорганическая гибридная мембрана из мезопористого кремнезема: приготовление и характеристика

  • Юн Чен
  • , Лун Ву
  •  … Анци Чен

  Журнал пористых материалов Открытый доступ 06 апреля 2010 г.

Варианты доступа

Подписка на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за номер

Подписка

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Поры выравнивают более мелкие поры.

Каталожные номера

1. Ямагучи А. и др. Природа Матери. 3 , 337–341 (2004).

   Артикул КАС Google ученый

2. Martin, CR Science 266 , 1961–1966 (1994).

   Артикул КАС Google ученый

3. Бек, Дж. С. и другие. Дж. Ам. хим. соц. 114 , 10834–10843 (1992).

   Артикул КАС Google ученый

4. Нисидзава М., Менон В.П. & Martin, CR Science 268 , 700–702 (1995).

   Артикул КАС Google ученый

5. Ли, С.Б. и другие. Наука 296 , 2198–2200 (2002).

   Артикул КАС Google ученый

6. Liu, C. & Martin, CR Nature 352 , 50–52 (1991).

   Артикул КАС Google ученый

7. Купер, Г.М. Клетка — молекулярный подход 2-е изд.; 81–84 , 476–491 (Sinauer Associates, Сандерленд, Массачусетс, 2000 г.).

   Google ученый

Ссылки на скачивание

Информация об авторе

Авторы и филиалы

1. Кафедры химии и анестезиологии и Центр исследований в области био/наноинтерфейса, Университет Флориды, Гейнсвилл, 32611, Флорида, США

   Чарльз Р. Мартин и Зузанна Сиви

   6 021906

   9

6 Авторы
1. Charles R. Martin

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Zuzanna Siwy

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Чарльз Р. Мартин.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Высокогидрофильная гибридная мезопористая мембрана поли(винилиденфторид)/мезо-титан для фотокаталитического мембранного реактора в воде

  • Мэн Ван
  • Гуан Ян
  • Юн Чен

  Научные отчеты (2016)

• Анализ биохимических веществ на основе нанопор

  • Наннан Лю
  • Зекун Ян
  • Фань Ся

  Microchimica Acta (2016)

• Одновременное определение карциноэмбрионального антигена и α-фетопротеина с использованием иммуноэлектрода ITO, модифицированного наночастицами золота и мезопористым кремнеземом

  • Цзехуа Линь
  • Хуэйхуэй Чжан
  • Шуян Ню

  Microchimica Acta (2015)

• Органическая/неорганическая гибридная мембрана из мезопористого кремнезема: приготовление и характеристика

  • Юн Чен
  • Лонг Ву
  • Анци Чен

  Журнал пористых материалов (2011)

• Влияние взаимодействия дислокаций с нанопроволоками ядро-оболочка на критическое напряжение сдвига нанокомпозитов

  • Ци Хун Фан
  • Юн Лю
  • Бо Юн Хуан

  Журнал Центрально-Южного технологического университета (2010)

Пористые органические материалы открывают широкие возможности в будущем

Пористые органические материалы открывают широкие возможности в будущем

Скачать PDF

Ваша статья скачана

Карусель с тремя слайдами одновременно. Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перехода по трем слайдам за раз или кнопки с точками в конце для перехода по трем слайдам за раз.

Скачать PDF

• Комментарий
• Открытый доступ
• Опубликовано: 02 октября 2020 г.
• Тяньюй Лю ORCID: orcid.org/0000-0002-8716-749X ¹ и
• Гуолян Лю ORCID: orcid.org/0000-0002-6778-0625 ^1,2,3  

Связь с природой том 11 , Номер статьи: 4984 (2020) Процитировать эту статью

• 6948 доступов

• 21 цитирование

• 5 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Полимеры
• Пористые материалы

В свете бурного роста исследований пористых органических материалов мы здесь обсуждаем ключевые вопросы их пористой структуры, свойств поверхности и конечных функций. Мы также представляем взгляд на новые возможности, новые приложения и открытие материалов с помощью науки о данных.

Пористые органические материалы имеют разный состав и регулируемый размер пор (рис. 1), что позволяет использовать их в самых разных областях, включая разделение, фильтрацию, хранение, катализ и доставку лекарств. Согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии, поры в пористых органических материалах подразделяются на микропоры (<2 нм), мезопоры (2–50 нм) и макропоры (>50 нм). Пористым органическим материалам часто выгодно иметь иерархические поры в разных масштабах длины. Исключение размера этих пор, а также физическое и химическое взаимодействие молекул с поверхностью пор обеспечивают регулируемую проницаемость и селективность пористых органических материалов, которые имеют решающее значение для их применения.

Рис. 1: Классификация пористых органических материалов по размеру пор и составу.

Пористые органические материалы могут иметь поры разного размера, включая макропоры, мезопоры и микропоры. По составу пористые органические материалы могут быть изготовлены из природных или синтетических соединений.

Изображение полного размера

Точный контроль над структурой, свойствами и функциями

Применение пористых органических материалов во многом зависит от их структуры, свойств и функций. Управление структурой-свойством-функцией пористых органических материалов начинается с точного синтеза органических молекул, поскольку молекулярные структуры диктуют методы обработки (включая самосборку), структуры, свойства и конечные функции. Учитывая длину этого комментария, мы обсудим только структуру и свойство — два ключевых вопроса, в конечном счете определяющих конечные функции.

Основным структурным фактором является размер пор. Размер пор коррелирует с площадью поверхности и объемом пор и, в конечном итоге, влияет на конечные функции, такие как проницаемость в зависимости от размера и селективность в отношении гостевых частиц. Контроль над размерами макропор является относительно простым и достигается с помощью жестких шаблонов и других методов ¹ . Точно так же размеры мезопор настраиваются с помощью мягких шаблонов. Примечательно, что успешное развитие блок-сополимеров за последние несколько десятилетий позволило превосходно контролировать размер и порядок мезопор на молекулярном уровне посредством молекулярной самосборки и направленной сборки ^2,3 . Однако контроль над размерами микропор органических полимеров оставался в основном искусством. Единственным исключением являются органические каркасы, которые имеют изначально узкое распределение пор по размерам. Были разработаны механизмы для управления структурой, конфигурацией и конформацией органических молекул, что привело к некоторым успехам в контроле размеров микропор пористых полимеров. Регулирование пространственного расположения микропор, которое влияет на характеристики газоразделения и фильтрации, все еще требует значительных улучшений. Для высоких потоков и быстрого массопереноса точного контроля над одним конкретным размером пор часто бывает недостаточно. Необходимо подготовить несколько типов пор в диапазоне масштабов длины и, что более важно, обеспечить их взаимосвязь ⁴ . В дополнение к взаимосвязанности пор уменьшение структурной извилистости остается еще одной серьезной проблемой пористых мембран, транспортирующих гостевые молекулы.

Среди многих свойств межфазные свойства, которые в первую очередь определяются поверхностными функциональными группами, определяют смачиваемость жидкостями, сродство связывания с молекулами и, следовательно, конечную функцию молекулярной проницаемости и селективности адсорбции. Таким образом, настройка функциональных возможностей поверхности имеет решающее значение для оптимизации характеристик пористых органических материалов при разделении, хранении газа и биологических приложениях. Например, в газоразделительных мембранах поверхности пор, украшенные функциональными группами, могут избирательно взаимодействовать с определенными газами. Можно создать поверхностные функциональные группы в молекулярных блоках, которые образуют пористую матрицу. Эти функциональные группы в какой-то момент становятся присущими органической матрице. В качестве альтернативы можно ввести поверхностные функциональные группы посредством постобработки, то есть функционализируя пористые органические материалы фрагментами для модификации химического состава поверхности. Химические модификации в контролируемых условиях времени, температуры и давления добавляют функциональные группы к пористым органическим материалам; однако следует соблюдать осторожность при последующей обработке пористых органических материалов такими методами, как термический отжиг. Полимеры имеют определенную термическую стабильность и диапазоны рабочих температур, и их обработка при температурах, выходящих за пределы подходящих диапазонов, необратимо изменит их молекулярную структуру или даже ухудшит их структуру. В этом отношении стратегии, которые специально изменяют функциональные группы поверхности, имеют первостепенное значение для точной настройки. Примечательно, что функциональные группы с регулируемым составом, плотностью и пространственным распределением могут открыть новые области применения пористых органических материалов. Эта цель потенциально достижима путем заимствования стратегий у других сообществ. Например, для управления составом поверхностных функциональных групп графеновых электрокатализаторов пространственное ограничение направляет образование планарных N-примесей (пиридинового и пирролового азота) поверх неплоских четвертичных N-примесей ⁵ .

Новые возможности и области применения

Благодаря точному контролю над структурой, свойствами и функциями пористые органические материалы нашли широкое применение в процессах разделения, фильтрации и хранения, и в последующие десятилетия их применение будет расширяться. Хотя пористые органические материалы универсальны, их применимость в экстремальных условиях все же ограничена, например, при экстремально высоких или низких температурах, экстремально высоких напряжениях, воздействии высокоэнергетического излучения, связанных с освоением космоса. Разработка новых пористых органических материалов, особенно с бескомпромиссной термической стабильностью, механической прочностью и технологичностью, ставит перед будущими исследованиями пористых органических материалов задачи. Использование существующих высокоэффективных инженерных полимеров, таких как полиимид, в пористой форме представляет собой простую, но эффективную стратегию ^6,7 . Инновации в области химии для синтеза высокоэффективных пористых полимеров откроют огромные возможности для химиков-полимеров. Кроме того, с точки зрения обработки необходимо обеспечить управляемость пористыми структурами, что может оказаться сложной задачей.

Одним из прорывов в области пористых органических материалов являются пористые органические каркасы, в том числе ковалентные органические каркасы (КОФ) и металлоорганические каркасы (МОФ) ⁸ . И COF, и MOF имеют разные органические строительные блоки. Недавно их органические строительные блоки приобрели новые свойства. Например, окислительно-восстановительные КФ на основе бензохинона ⁹ произвели революцию в общепринятых представлениях о том, что пористые органические материалы являются плохими проводниками электричества и инертны для хранения электрохимической энергии. Эти проводящие пористые материалы обеспечивают как высокую пропускную способность, так и высокую скорость, которые часто являются взаимоисключающими для обычных электродных материалов. Успех будет мотивировать будущие исследования и расширить области применения пористых органических материалов. Можно представить себе будущие органические пористые материалы в качестве сепараторов для безопасных и долговечных аккумуляторов, носителей катализаторов для исключительной диффузии реагентов и селективности продукта, а также газоразделительных мембран с выдающейся селективностью и проницаемостью.

Тщательно контролируемые структуры позволяют проводить систематические механистические исследования. Пористые органические материалы с одинаковыми размерами пор или разными функциями сводят к минимуму количество переменных и упрощают модели для компьютерного моделирования. Например, в емкостном накопителе энергии молекулярная динамика может имитировать взаимодействие между шириной пор, емкостью (или емкостью) и пропускной способностью ¹⁰ . К сожалению, отсутствие пористых органических материалов с однородными порами и однородными функциональными группами затрудняет экспериментальную проверку моделирования. Электропроводящие пористые органические каркасы с их очень однородными размерами пор и функциональностью представляют собой новые электрохимические материалы, которые потенциально могут позволить проводить такие механистические исследования. Новаторская работа над механизмами накопления заряда COF ⁹ и MOF ¹¹ являются недавними примерами. Пористые органические материалы с высоким выходом углерода могут использоваться в качестве шаблонов для приготовления пористых углеродных порошков ¹² , пленок ¹³ и волокон ¹⁴ . Примечательно, что пористые углеродные волокна из пористых органических материалов показали выдающуюся электрическую и ионную проводимость ¹⁴ , а также способность вмещать гостевые материалы и обеспечивать быструю зарядку и разрядку ⁴ .

Разработка новых материалов с помощью вычислений и науки о данных

Вычислительные инструменты, такие как молекулярное моделирование, всегда были необходимы для ускорения разработки пористых органических материалов. Новые методы, такие как машинное обучение и наука о данных, позволяют ускорить открытие, проектирование, синтез, обработку и оценку новых пористых органических материалов. Исследования пористых органических материалов накопили бесчисленное количество данных и информации в литературе, но большинство из них являются интуитивными или эмпирическими. Ручное извлечение, сортировка и анализ массивных данных становится все более сложной задачей. Однако машинное обучение и наука о данных могут помочь собрать и проанализировать огромное количество комбинаций показателей материалов, включая составы, морфологию, размеры/объемы пор и химический состав поверхности. Они могут помочь в идентификации пористых органических материалов с наиболее желаемыми характеристиками. Они могут помочь в экспериментах по отсеиванию возможных путей синтеза и предложению наиболее доступных и эффективных средств. Например, обратное проектирование — метод прогнозирования состава и структуры исходных материалов на основе функций конечного использования 9.0012 15 , может ускорить открытие новых пористых органических материалов.

Продвижение пористых органических материалов выиграет от междисциплинарных усилий. Совместные усилия теоретиков и экспериментаторов как из области науки, так и из области техники ускорят определение предпочтительных структур, свойств и функций для целевых приложений (рис. 2). Обширный и частый обмен идеями и знаниями является наиболее предпочтительным для эффективного сотрудничества. Альянс исследователей с разным опытом и специальностями взаимовыгоден: теоретики предоставляют проницательные рекомендации по снижению бремени синтеза материалов и оптимизации структуры, в то время как экспериментаторы возвращаются с экспериментальными данными из первых рук для уточнения модели; Ученые предлагают фундаментальные знания для синтеза и обработки материалов, а инженеры платят за это массовым производством и оценкой эффективности недавно разработанных пористых органических материалов.

Рис. 2: Схема, иллюстрирующая потенциальное сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами.

Теоретики проектируют структуры, предсказывают свойства и моделируют функциональные возможности пористых органических материалов, которые могут быть усовершенствованы при участии экспериментаторов. Экспериментаторы синтезируют молекулы с индивидуальной структурой, характеризуют свойства и оценивают функциональные возможности пористых органических материалов при участии теоретиков для пересмотра экспериментальных протоколов. Эффективный обмен информацией и опытом между теоретиками и экспериментаторами ускорит разработку пористых органических материалов.

Полноразмерное изображение

Ссылки

1. Ву, Д., Сюй, Ф., Сунь, Б., Фу, Р., Хе, Х. и Матияшевски, К. Разработка и получение пористых полимеров. Хим. Ред. 112 , 3959–4015 (2012 г.).

   Артикул КАС Google ученый

2. «>

   Серрано, Дж. М. и др. Композиционный расчет блок-сополимеров для пористых углеродных волокон. Хим. Матер. 31 , 8898–8907 (2019).

   Артикул КАС Google ученый

3. Seo, M. & Hillmyer, M.A. Сетчатые нанопористые полимеры путем контролируемого микрофазового разделения, вызванного полимеризацией. Наука 336 , 1422–1425 (2012).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

4. Liu, T., Zhou, Z., Guo, Y., Guo, D. & Liu, G. Однородные мезопоры, полученные из блок-сополимера, обеспечивают сверхбыстрый перенос электронов и ионов при высоких массовых нагрузках. Нац. коммун. 10 , 675 (2019).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

5. Дин В. и др. Синтез графена, легированного пиридиновым и пиррольным азотом, в ограниченном пространстве для катализа восстановления кислорода. Анжю. хим. Междунар. Эд. 52 , 11755–11759 (2013).

   Артикул КАС Google ученый

6. Guo, D., Khan, A.U., Liu, T.Y., Zhou, Z.P. & Liu, G.L. Домен менее 10 нм в высокоэффективных полиэфиримидах. Полим. хим. 10 , 379–385 (2019).

   Артикул КАС Google ученый

7. Xu, Z., Liu, T., Cao, K., Guo, D., Serrano, J.M. & Liu, G. Термически стабильные и механически прочные мезопористые пленки триблок-сополимеров на основе полиэфиримида. Приложение ACS Полим. Мать 2 , 1398–1405 (2020).

   Артикул КАС Google ученый

8. Яги О. М. Ретикулярная химия во всех измерениях. АКЦ Цент. Sci 5 , 1295–1300 (2019).

   Артикул КАС Google ученый

9. «>

   Ши, Р. и др. Богатые азотом ковалентные органические каркасы с несколькими карбонилами для высокоэффективных натриевых батарей. Нац. коммун. 11 , 178 (2020).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

10. Zhan, C., et al. Вычислительное понимание материалов и интерфейсов для емкостного хранения энергии. Доп. Наука . 4 , 1700059 (2017).

    Артикул Google ученый

11. Би, С. и др. Молекулярное понимание накопления заряда и динамики заряда в суперконденсаторах с электродами MOF и электролитами с ионной жидкостью. Нац. Матер. https://doi.org/10.1038/s41563-41019-40598-41567 (2020).

    Артикул пабмед Google ученый

12. Zhong, M. et al. Электрохимически активные обогащенные азотом наноуглероды с четко определенной морфологией, синтезированные пиролизом самоорганизующегося блок-сополимера. Дж. Ам. хим. соц. 134 , 14846–14857 (2012).

    Артикул КАС Google ученый

13. Чжоу, З. и Лю, Г. Контроль размера пор мезопористых углеродных тонких пленок с помощью термического отжига и отжига в растворителе. Малый 13 , 1603107 (2017).

    Артикул Google ученый

14. Чжоу З., Лю Т., Хан А. У. и Лю Г. Пористые углеродные волокна на основе блок-сополимера. науч. Доп. 5 , eaau6852 (2019).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

15. Ким Б., Ли С. и Ким Дж. Обратное проектирование пористых материалов с использованием искусственных нейронных сетей. науч. Доп. 6 , eaax9324 (2020).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Эта статья содержит работы, поддержанные Управлением научных исследований ВВС под номером FA9550-17-1-0112, Национальным научным фондом под номером DMR-1752611 и Американским Фонд нефтяных исследований химического общества по гранту № 58431-DNI.

Информация о авторе

Авторы и принадлежности

1. Департамент химии, Вирджиния Тех, Блэксбург, Вирджиния, 24061, США

   Tianyu Liu & Guoliang Liu

2. MACROMOLECULECULES INNVERTIO , USA

   Guoliang Liu

3. Academy of Integrated Science-Division of Nanoscience, Virginia Tech, Blacksburg, VA, 24061, USA

   Guoliang Liu

Авторы

1. Tianyu Liu

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Guoliang Liu

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

G.L. и TL. соавтором рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Гуолян Лю.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.