พอลิเมอร์สองมิติ ( 2DP ) คือโมเลกุลขนาดใหญ่โมโนโมเลกุลที่มีลักษณะเป็นแผ่น ประกอบด้วยหน่วยซ้ำที่เชื่อมต่อกันในแนวด้านข้าง โดยมีหมู่ปลายอยู่ตามขอบทั้งหมด^{[ 1 ] [ 2 ]}คำจำกัดความล่าสุดของ 2DP นี้อิงตาม แนวคิด พอลิเมอร์ของHermann Staudingerจากช่วงปี 1920 ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}ตามแนวคิดนี้ โมเลกุลสายยาวโคเวเลนต์ ("Makromoleküle") มีอยู่จริงและประกอบด้วยลำดับของหน่วยซ้ำที่เชื่อมต่อกันเป็นเส้นตรงและมีหมู่ปลายอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง

การเปลี่ยนจากมิติเดียวเป็นสองมิติทำให้สามารถเข้าถึงสัณฐานวิทยาของพื้นผิว เช่น พื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้น เยื่อพรุน และอาจรวมถึงการเชื่อมต่อวงโคจรไพในระนาบเพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ พวกมันแตกต่างจากตระกูลพอลิเมอร์อื่นๆ เนื่องจากพอลิเมอร์ 2 มิติสามารถแยกได้เป็นผลึกหลายชั้นหรือเป็นแผ่นเดี่ยว^{[ 7 ]}

คำว่าพอลิเมอร์ 2 มิติยังถูกใช้ในวงกว้างมากขึ้นเพื่อรวมถึงพอลิเมอไรเซชันเชิงเส้นที่ดำเนินการที่ส่วนต่อประสาน การประกอบแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์แบบเป็นชั้น หรือพอลิเมอร์ที่เชื่อมโยงกันอย่างไม่สม่ำเสมอซึ่งจำกัดอยู่บนพื้นผิวหรือฟิล์มแบบเป็นชั้น^{[ 8 ]}พอลิเมอร์ 2 มิติสามารถจัดเรียงตามวิธีการเชื่อมโยง (ปฏิสัมพันธ์ของโมโนเมอร์) เหล่านี้ได้ ได้แก่ โมโนเมอร์ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะโควาเลนต์ พอลิเมอร์เชิงการประสานงาน และพอลิเมอร์เหนือโมเลกุล พอลิเมอร์ 2 มิติที่มีรูพรุนยังเป็นที่รู้จักในชื่อ พอลิเมอ ร์ ที่มีรู พรุน

ในทางทอพอโลยีแล้ว โพลีเมอร์ 2 มิติ อาจเข้าใจได้ว่าเป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นจากรูปหลายเหลี่ยมปกติที่เรียงต่อกันอย่างสม่ำเสมอ (หน่วยซ้ำ) รูปที่ 1 แสดงคุณลักษณะสำคัญของโพลีเมอร์เชิงเส้นและโพลีเมอร์ 2 มิติ ตามคำจำกัดความนี้ สำหรับการใช้คำว่า "โพลีเมอร์ 2 มิติ" ในความหมายที่กว้างขึ้น โปรดดูที่ "ประวัติ"

_{พอลิเมอร์สองมิติ (} 2DPs) ประกอบด้วยชั้นหรือแผ่นของกราไฟต์ (เรียกว่ากราฟีน ) MoS₂ ( BN)xและโครงร่างอินทรีย์แบบโคเวเลน ต์เป็นชั้นๆ ตามคำจำกัดความข้างต้น แผ่นเหล่านี้มีโครงสร้างภายในที่เป็นคาบ กราฟีนมีโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งของอะตอมคาร์บอนที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำหน่วยซ้ำ ที่เป็นไปได้ ของกราฟีนคือ อะตอมคาร์บอน แบบ sp²-hybridizedในทางทฤษฎีแล้วสามารถได้แผ่นแต่ละแผ่นโดยกระบวนการลอกออก แต่ในความเป็นจริงแล้วนี่เป็นกระบวนการที่ไม่ง่ายนักโมลิบเดนัมไดซัลไฟด์สามารถผลิตเป็นโครงสร้างคล้ายแผ่นได้โดยการลอกออกแผ่นดังกล่าวแสดงถึงพอลิเมอร์สองมิติ

พอร์ฟิรินเป็นมาโครไซเคิลเฮเทอโรไซคลิกแบบคอนจูเกตอีกประเภทหนึ่ง การควบคุมการประกอบโมโนเมอร์ผ่านการประกอบแบบโควาเลนต์ยังแสดงให้เห็นโดยใช้ปฏิสัมพันธ์แบบโควาเลนต์กับพอร์ฟิริน เมื่อกระตุ้นด้วยความร้อนของหน่วยโครงสร้างพอร์ฟิริน พันธะโควาเลนต์จะก่อตัวขึ้นเพื่อสร้างพอลิเมอร์นำไฟฟ้าซึ่งเป็นเส้นทางอเนกประสงค์สำหรับการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากล่างขึ้นบน^{[ 9 ]}

โครงสร้างอินทรีย์โคเวเลนต์สองมิติ (COFs) เป็นพอลิเมอร์ประสานงานแบบไมโครพรุนชนิดหนึ่งที่สามารถผลิตได้ในรูปแบบ 2 มิติ มิติและโทโพโลยีของ 2D COFs เกิดจากทั้งรูปร่างของโมโนเมอร์และการวางแนวสัมพัทธ์และมิติของกลุ่มปฏิกิริยา วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์ในสาขาเคมีวัสดุ ได้แก่ เสถียรภาพทางความร้อน ความพรุนที่ปรับได้ พื้นที่ผิวจำเพาะสูง และความหนาแน่นต่ำของวัสดุอินทรีย์ ด้วยการเลือกหน่วยโครงสร้างอินทรีย์อย่างระมัดระวัง สามารถบรรลุการทับซ้อนของวงโคจร π ระยะไกลขนานกับทิศทางการเรียงซ้อนของโครงสร้างอินทรีย์บางชนิดได้^{[ 7 ]}

สามารถสังเคราะห์ COF ได้โดยใช้ทั้งเคมีโคเวเลนต์แบบไดนามิกและเคมีที่ไม่ใช่โคเวเลนต์ วิธีการทางจลนศาสตร์เกี่ยวข้องกับกระบวนการทีละขั้นตอนของการพอลิเมอไรซ์โมโนเมอร์ 2 มิติที่ประกอบไว้ล่วงหน้า ในขณะที่การควบคุมทางอุณหพลศาสตร์ใช้ประโยชน์จากเคมีโคเวเลนต์แบบย้อนกลับได้เพื่อให้เกิดการประกอบโมโนเมอร์และการพอลิเมอไรซ์พร้อมกัน ภายใต้การควบคุมทางอุณหพลศาสตร์ การสร้างพันธะและการตกผลึกก็เกิดขึ้นพร้อมกันเช่นกัน โครงสร้างอินทรีย์โคเวเลนต์ที่เกิดขึ้นจากการสร้างพันธะโคเวเลนต์แบบไดนามิกเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีที่ดำเนินการแบบย้อนกลับได้ภายใต้สภาวะการควบคุมสมดุล^{[ 7 ]}เนื่องจากการก่อตัวของ COF ในการสร้างโคเวเลนต์แบบไดนามิกเกิดขึ้นภายใต้การควบคุมทางอุณหพลศาสตร์ การกระจายตัวของผลิตภัณฑ์จึงขึ้นอยู่กับความเสถียรสัมพัทธ์ของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเท่านั้น การประกอบโคเวเลนต์เพื่อสร้าง COF 2 มิติได้ทำขึ้นก่อนหน้านี้โดยใช้เอสเทอร์บอโรเนตจากคาเทคอลอะซิโตไนด์ในที่ที่มีกรดลูอิส (BF ₃ *OEt ₂ ) ^{[ 10 ]}

การพอลิเมอไรเซชันแบบ 2 มิติภายใต้การควบคุมจลนศาสตร์อาศัยปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์และการประกอบโมโนเมอร์ก่อนการสร้างพันธะ โมโนเมอร์สามารถยึดเข้าด้วยกันในตำแหน่งที่จัดเตรียมไว้ล่วงหน้าได้ด้วยปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ เช่น พันธะไฮโดรเจนหรือแวนเดอร์วาลส์^{[ 11 ]}

การประกอบระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ต้องอาศัยปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ในการกำหนดทิศทางการก่อตัวของพอลิเมอร์ 2 มิติ โดยอาศัยปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสถิต เช่น พันธะไฮโดรเจนและแรงแวนเดอร์วาลส์ การออกแบบการประกอบเทียมที่สามารถเลือกได้อย่างแม่นยำสูงนั้นต้องอาศัยการจัดการคุณสมบัติทางพลังงานและสเตอริโอเคมีของแรงที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์อย่างถูกต้อง^{[ 11 ]} ข้อดีบางประการของปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์คือลักษณะที่ย้อนกลับได้และการตอบสนองต่อปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิและความเข้มข้น^{[ 12 ]}กลไกของการเกิดพอลิเมอไรเซชันที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ในเคมีระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ในระหว่างกระบวนการประกอบตัวเองเป็นอย่างมาก ระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นเป็นอย่างมาก กลไกอาจแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ ไอโซเดสมิก วงแหวน-โซ่ และแบบร่วมมือ^{[ 12 ]}

ตัวอย่างหนึ่งของการเชื่อมโยงแบบไอโซเดสมิกในกลุ่มโมเลกุลขนาดใหญ่แสดงอยู่ในรูปที่ 7 (CA*M) ปฏิสัมพันธ์และการประกอบกันของกรดไซยานูริก (CA) และเมลามีน (M) ผ่านพันธะไฮโดรเจน^{[ 13 ]}พันธะไฮโดรเจนถูกนำมาใช้เพื่อนำทางการประกอบโมเลกุลเข้าเป็นเครือข่ายสองมิติ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นแม่แบบพื้นผิวใหม่และมีรูพรุนจำนวนมากที่มีความจุเพียงพอที่จะรองรับโมเลกุลแขกขนาดใหญ่ได้^{[ 14 ]} ตัวอย่างของการใช้โครงสร้างพื้นผิวผ่านการประกอบแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ใช้โมโนเลเยอร์ที่ดูดซับเพื่อสร้างตำแหน่งการจับสำหรับโมเลกุลเป้าหมายผ่านปฏิสัมพันธ์ของพันธะไฮโดรเจน พันธะไฮโดรเจนถูกใช้เพื่อนำทางการประกอบโมเลกุลที่แตกต่างกันสองชนิดเข้าเป็นเครือข่ายรูพรุนแบบรังผึ้ง 2 มิติภายใต้สุญญากาศสูงมากดังที่เห็นในรูปที่ 8 ^{[ 14 ]}มีการรายงานเกี่ยวกับพอลิเมอร์ 2 มิติที่สร้างจาก DNA ^{[ 15 ]}

2DPs เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่แบบแผ่นสองมิติที่มีโครงสร้างผลึก กล่าวคือ ประกอบด้วยหน่วยโมโนเมอร์ที่ซ้ำกันในสองมิติ ดังนั้นจึงต้องสังเกตเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ชัดเจนจากโครงสร้างผลึกเพื่อพิสูจน์ความเป็นผลึก ความเป็นคาบภายในได้รับการสนับสนุนโดยการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนและการวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีรามาน

โดยหลักการแล้ว 2DP ควรจะสามารถหาได้จากวิธีการแบบอินเตอร์เฟซเช่นกัน ซึ่งการพิสูจน์โครงสร้างภายในนั้นมีความท้าทายมากกว่าและยังไม่สามารถทำได้^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

ในปี 2014 มีรายงานการสังเคราะห์ 2DP จากโมโนเมอร์ที่ไวต่อแสงไตร ฟังก์ชันซึ่งได้มาจากแอนทราซีน โดยจัดเรียงไว้ล่วงหน้าใน ผลึก แบบแผ่นและเกิดพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงในปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน [4+4] ^{[ 19 ]} 2DP ที่มีรายงานอีกตัวหนึ่งก็เกี่ยวข้องกับโมโนเมอร์ที่ได้มาจากแอนทราซีนเช่นกัน^{[ 20 ]}

คาดว่า 2DPs จะเป็นวัสดุเมมเบรนที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากมีขนาดรูพรุนที่กำหนดไว้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเซนเซอร์วัดแรงดันที่มีความไวสูงมาก เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความแม่นยำสูง สำหรับการเคลือบและการสร้างลวดลายบนพื้นผิว เป็นตัวรองรับบางเฉียบสำหรับcryo-TEMและการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย

เนื่องจากพอลิเมอร์ 2 มิติให้พื้นที่ผิวขนาดใหญ่และความสม่ำเสมอในรูปแบบแผ่น จึงพบการใช้งานที่มีประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น การดูดซับและการแยกก๊าซแบบเลือกได้^{[ 7 ]}โครงสร้างโลหะอินทรีย์ได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบันเนื่องจากความหลากหลายของโครงสร้างและโทโพโลยีที่ให้โครงสร้างรูพรุนและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ยังมีวิธีการสร้างนาโนคริสตัลของ MOF และการรวมเข้ากับอุปกรณ์นาโนอย่างต่อเนื่อง^{[ 21 ]}ยิ่งไปกว่านั้น พื้นผิวโลหะอินทรีย์ยังได้รับการสังเคราะห์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ไดไทโอนลีนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพผ่านการลดน้ำ ซึ่งเป็นกลยุทธ์ที่สำคัญสำหรับสาขาพลังงานหมุนเวียน^{[ 22 ]}

การสร้างโครงสร้างอินทรีย์ 2 มิติ ยังได้สังเคราะห์โครงสร้างอินทรีย์โคเวเลนต์แบบมีรูพรุนสองมิติเพื่อใช้เป็นสื่อกลางในการจัดเก็บไฮโดรเจน มีเทน และคาร์บอนไดออกไซด์ในการใช้งานด้านพลังงานสะอาด^{[ 23 ]}

ความพยายามครั้งแรกในการสังเคราะห์ 2DP ย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษ 1930 เมื่อ Gee รายงานการพอลิเมอไรเซชันที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำ ซึ่งโมโนเลเยอร์ของอนุพันธ์กรดไขมันไม่อิ่มตัวจะถูกพอลิเมอไรซ์ในแนวด้านข้างเพื่อให้ได้วัสดุเชื่อมโยงแบบ 2 มิติ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}ตั้งแต่นั้นมา มีความพยายามที่สำคัญหลายครั้งที่ได้รับการรายงานในแง่ของการพอลิเมอไรเซชันแบบเชื่อมโยงของโมโนเมอร์ที่ถูกจำกัดอยู่ในแม่แบบแบบชั้นหรือส่วนต่อประสานต่างๆ^{[ 1 ] [ 27 ]}แนวทางเหล่านี้ทำให้เข้าถึงพอลิเมอร์แบบแผ่นได้ง่าย อย่างไรก็ตาม โครงสร้างเครือข่ายภายในของแผ่นนั้นไม่สม่ำเสมอโดยเนื้อแท้ และคำว่า "หน่วยซ้ำ" นั้นใช้ไม่ได้ (ดูตัวอย่างเช่น: ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} ) ในเคมีอินทรีย์ การสร้างโครงสร้างเครือข่ายแบบคาบ 2 มิติเป็นความฝันมานานหลายทศวรรษ^{[ 31 ]}แนวทางที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือ "การพอลิเมอไรเซชันบนพื้นผิว" ^{[ 32 ] [ 33 ]}ซึ่งมีการรายงาน 2DP ที่มีมิติด้านข้างไม่เกินหลายสิบนาโนเมตร^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}ผลึกแบบแผ่นบางนั้นหาได้ง่าย โดยแต่ละชั้นสามารถถือได้ว่าเป็น 2DP แฝง มีความพยายามหลายครั้งในการแยกชั้นแต่ละชั้นโดยใช้เทคนิคการลอก (ดูตัวอย่างเช่น: ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} )