二维共价有机框架(2D COFs)面内高热导率的直接测量及其在热管理中的应用

本研究针对二维共价有机框架(2D COFs)热导率数据匮乏的问题，通过激光泵浦探测技术首次实现了大面积悬浮COF薄膜面内热导率(k∥)的直接测量。研究人员合成了三种不同孔径(1.4-3.1 nm)的2D COFs薄膜，采用瞬态热栅光谱(TTG)测得1.4 nm孔径样品k∥高达1.18±0.21 W/(m·K)，并通过频率域热反射(FDTR)获得其k⊥为0.29±0.04 W/(m·K)，揭示了显著的孔径效应与热各向异性。该成果为多孔材料在微电子冷却等热管理应用提供了重要设计依据。

　　

在材料科学领域，二维共价有机框架(2D COFs)因其独特的孔隙结构和可调性能，已成为气体分离、能源存储等应用的新宠。然而，这些轻质多孔材料在热管理领域的潜力长期被忽视——传统聚合物热导率普遍低于0.3 W/(m·K)，而COFs的层状结构理论上可实现更高热传导。更关键的是，学界一直缺乏对大面积悬浮COF薄膜面内热导率的直接测量数据，现有研究或依赖分子动力学模拟预测，或通过各向异性比值间接推算，导致结果存在显著偏差。

为解决这一瓶颈问题，康奈尔大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果。研究人员选取三种具有相似结构但孔径不同(1.4/1.9/3.1 nm)的2D COFs，通过固液界面法合成高质量薄膜，创新性地结合两种激光泵浦探测技术：采用瞬态热栅光谱(TTG)直接测量面内热导率，配合频率域热反射(FDTR)获取垂直方向数据。同步利用掠入射广角X射线散射(GIWAXS)解析晶体结构，结合分子动力学模拟揭示热传导机制。

关键技术包括：1) 固液界面法合成厘米级COF薄膜；2) TTG技术测量悬浮薄膜k_∥；3) FDTR测定支持薄膜k_⊥；4) GIWAXS表征晶体取向；5) 平衡分子动力学(EMD)模拟热输运过程。

结果与讨论

薄膜制备与结构表征

通过优化合成条件获得表面粗糙度<1 nm的均匀薄膜，GIWAXS显示(100)晶面垂直于基底排列。1.4 nm孔径的COF-S呈现最佳取向性，其面内晶格振动模式更有序。

热导率测量

TTG测得COF-S的k_∥达1.18 W/(m·K)，比传统聚合物高3-10倍，且随孔径增大呈d^-2递减趋势。FDTR显示k_⊥维持在0.26-0.32 W/(m·K)，形成4.54-0.81的可调各向异性比。

模拟验证

EMD模拟与实验数据趋势吻合，证实小孔径样品更强的面内声子传输。但实际样品因堆垛缺陷等因素，热各向异性比模拟值更复杂。

结论与展望

该研究首次建立2D COFs孔径-热导率的定量关系，1.4 nm孔径样品创下多孔聚合物热导率新纪录。通过揭示氢键增强、晶面取向等调控机制，为设计轻质热界面材料提供新思路。未来通过优化合成工艺减小孔径、提升取向度，有望进一步突破热导率极限。这项工作不仅填补了二维聚合物热物性数据库的空白，更为微电子散热、航天器热防护等应用开辟了新途径。