Nowy materiał to dwuwymiarowy polimer wykonany z melaminy , który samoczynnie formuje się w arkusze, w przeciwieństwie do wszystkich innych polimerów, które tworzą jednowymiarowe łańcuchy przypominające spaghetti. Do tej pory naukowcy uważali, że niemożliwe jest zmusić polimery do tworzenia dwuwymiarowych arkuszy.
Taki materiał mógłby zostać wykorzystany jako lekka, trwała powłoka części samochodowych lub telefonów komórkowych albo jako materiał budowlany do budowy mostów i innych konstrukcji, twierdzi Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon P. Dubbs na MIT i starszy autor nowego badania.
„Zwykle nie myślimy o tworzywach sztucznych jako o czymś, czego można użyć do podparcia budynku, ale dzięki temu materiałowi można stworzyć nowe rzeczy” — mówi. „Ma bardzo niezwykłe właściwości i jesteśmy tym bardzo podekscytowani”.
Naukowcy złożyli dwa wnioski patentowe na proces, który wykorzystali do wytworzenia materiału. Opisali go w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Nature . Yuwen Zeng, doktorantka MIT, jest główną autorką badania.
Dwa wymiary
Polimery, do których zaliczają się wszystkie tworzywa sztuczne, składają się z łańcuchów bloków budulcowych zwanych monomerami. Łańcuchy te rosną poprzez dodawanie nowych cząsteczek na ich końcach. Po uformowaniu polimery można kształtować w trójwymiarowe obiekty, takie jak butelki na wodę, za pomocą formowania wtryskowego.
Naukowcy zajmujący się polimerami od dawna wysuwali hipotezę, że jeśli polimery mogłyby zostać zmuszone do wzrostu w dwuwymiarową warstwę, powinny tworzyć niezwykle wytrzymałe, lekkie materiały. Jednak wiele dziesięcioleci pracy w tej dziedzinie doprowadziło do wniosku, że nie jest możliwe stworzenie takich warstw. Jednym z powodów było to, że jeśli tylko jeden monomer obróci się w górę lub w dół, poza płaszczyznę rosnącej warstwy, materiał zacznie się rozszerzać w trzech wymiarach, a struktura przypominająca warstwę zostanie utracona.
Jednak w nowym badaniu Strano i jego współpracownicy opracowali nowy proces polimeryzacji, który pozwala im wytworzyć dwuwymiarową warstwę zwaną poliaramidem. Jako bloki budulcowe monomerów używają związku o nazwie melamina, który zawiera pierścień atomów węgla i azotu. W odpowiednich warunkach te monomery mogą rosnąć w dwóch wymiarach, tworząc dyski. Te dyski układają się jeden na drugim, utrzymywane razem przez wiązania wodorowe między warstwami, co sprawia, że struktura jest bardzo stabilna i mocna.
„Zamiast tworzyć cząsteczkę przypominającą spaghetti, możemy stworzyć płaszczyznę molekularną przypominającą arkusz, gdzie cząsteczki łączą się ze sobą w dwóch wymiarach” — mówi Strano. „Ten mechanizm zachodzi spontanicznie w roztworze, a po syntezie materiału możemy łatwo tworzyć cienkie warstwy, które są niezwykle wytrzymałe”.
Ponieważ materiał samoorganizuje się w roztworze, można go wytwarzać w dużych ilościach, po prostu zwiększając ilość materiałów wyjściowych. Naukowcy wykazali, że mogą pokrywać powierzchnie warstwami materiału, który nazywają 2DPA-1.
„Dzięki temu postępowi uzyskaliśmy płaskie cząsteczki, z których będzie znacznie łatwiej utworzyć bardzo mocny, ale niezwykle cienki materiał” – mówi Strano.
Lekki, ale mocny
Naukowcy odkryli, że moduł sprężystości nowego materiału — miara siły potrzebnej do odkształcenia materiału — jest od czterech do sześciu razy większy niż w przypadku szkła kuloodpornego. Odkryli również, że jego granica plastyczności, czyli siła potrzebna do złamania materiału, jest dwa razy większa niż stali, mimo że materiał ma gęstość stanowiącą zaledwie jedną szóstą gęstości stali.
Inną kluczową cechą 2DPA-1 jest to, że jest nieprzepuszczalny dla gazów. Podczas gdy inne polimery są wykonane z łańcuchów zwiniętych w spiralę z przerwami, które umożliwiają przedostawanie się gazów, nowy materiał jest wykonany z monomerów, które łączą się ze sobą jak klocki LEGO, a cząsteczki nie mogą dostać się między nie.
„To może pozwolić nam na tworzenie ultracienkich powłok, które mogą całkowicie zapobiegać przedostawaniu się wody lub gazów” – mówi Strano. „Tego rodzaju powłoka barierowa mogłaby być stosowana do ochrony metalu w samochodach i innych pojazdach lub konstrukcjach stalowych”.
Strano i jego studenci badają teraz dokładniej, w jaki sposób ten konkretny polimer jest w stanie tworzyć dwuwymiarowe arkusze, i eksperymentują ze zmianą jego budowy molekularnej w celu tworzenia innych rodzajów nowych materiałów.
Badania zostały sfinansowane przez Centrum Ulepszonego Transportu Nanoprzepływowego (CENT), ośrodek badawczy Energy Frontier Research Center, sponsorowany przez Biuro Naukowe Departamentu Energii USA i Laboratorium Badawcze Armii.
Materiał źródłowy: Nowy, lekki materiał jest mocniejszy niż stal: Nowa substancja jest wynikiem wyczynu, który uważano za niemożliwy: polimeryzacji materiału w dwóch wymiarach — ScienceDaily
Kontakt dla wiadomości:
E-mail: [email chroniony]
Tel: + 86-28-8411-1861