Elise Haynes Korzystając z nowatorskiego procesu polimeryzacji, inżynierowie chemicy z MIT: Utworzony nowy dwuwymiarowy polimer, który samoorganizuje się w arkusze, w przeciwieństwie do wszystkich innych polimerów, które tworzą jednowymiarowe łańcuchy. Do tej pory naukowcy uważali, że niemożliwe jest wywołanie polimerów w celu utworzenia arkuszy 2D.
Nowy materiał jest mocniejszy niż stal i tak lekki jak plastik i można go łatwo wytwarzać w dużych ilościach. Taki materiał może być używany jako lekka, trwała powłoka do części samochodowych lub telefonów komórkowych lub jako materiał budowlany do mostów lub innych konstrukcji, mówi Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon P. Dubbs na MIT i starszy autor książki. nowe badanie.
Zwykle nie myślimy o plastiku jako o czymś, co można wykorzystać do podparcia budynku, ale dzięki temu materiałowi można wprowadzić nowe rzeczy. Ma bardzo niezwykłe właściwości i bardzo się tym cieszymy.
—Michael Strano
Naukowcy złożyli dwa wnioski patentowe na proces, za pomocą którego wygenerowali materiał, który opisują w artykule opublikowanym w Natura.
Polimery, do których należą wszystkie tworzywa sztuczne, składają się z łańcuchów cegiełek zwanych monomerami. Łańcuchy te rosną, dodając na ich końce nowe molekuły. Po uformowaniu polimery można kształtować w trójwymiarowe przedmioty, takie jak butelki na wodę, za pomocą formowania wtryskowego.
Naukowcy zajmujący się polimerami od dawna stawiali hipotezę, że jeśli polimery da się skłonić do wzrostu w dwuwymiarowy arkusz, powinny one tworzyć niezwykle mocne i lekkie materiały. Jednak wieloletnia praca w tej dziedzinie doprowadziła do wniosku, że nie da się stworzyć takich arkuszy.
Jednym z powodów było to, że jeśli tylko jeden monomer obróci się w górę lub w dół, poza płaszczyznę rosnącego arkusza, materiał zacznie rozszerzać się w trzech wymiarach i struktura podobna do arkusza zostanie utracona. Jednak w nowym badaniu Strano i jego koledzy opracowali nowy proces polimeryzacji, który pozwala im generować dwuwymiarowy arkusz zwany poliaramidem. W przypadku elementów budulcowych monomeru używają związku zwanego melaminą, który zawiera pierścień atomów węgla i azotu. W odpowiednich warunkach te monomery mogą rosnąć w dwóch wymiarach, tworząc dyski. Dyski te układają się jeden na drugim, połączone wiązaniami wodorowymi między warstwami, co sprawia, że struktura jest bardzo stabilna i mocna.
Autokatalityczne samo-szablonowanie 2DPA-1. Zeng i in.
Zamiast tworzyć cząsteczki podobne do spaghetti, możemy stworzyć płaszczyznę molekularną podobną do arkusza, w której cząsteczki łączą się ze sobą w dwóch wymiarach. Mechanizm ten zachodzi samoistnie w roztworze, a po zsyntetyzowaniu materiału możemy z łatwością powlekać wirowo cienkie warstwy, które są niezwykle mocne. Dzięki temu postępowi mamy płaskie molekuły, które będą znacznie łatwiejsze do uformowania w bardzo mocny, ale niezwykle cienki materiał.
—Michael Strano
Ponieważ materiał samoorganizuje się w roztworze, można go wytwarzać w dużych ilościach, po prostu zwiększając ilość materiałów wyjściowych. Naukowcy wykazali, że mogą pokrywać powierzchnie filmami z materiału, który nazywają 2DPA-1.
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 ilość siły potrzebnej do rozbicia materiału, to wytrzymałość stali, mimo że materiał ten ma tylko około jedną szóstą gęstość podwójnej stali.
Inną kluczową cechą 2DPA-1 jest nieprzepuszczalność gazów. Podczas gdy inne polimery są wykonane ze zwiniętych łańcuchów z przerwami, które umożliwiają przenikanie gazów, nowy materiał jest wykonany z monomerów, które łączą się ze sobą jak klocki LEGO, a molekuły nie mogą się między nimi dostać.
To może pozwolić nam na tworzenie ultracienkich powłok, które mogą całkowicie zapobiec przedostawaniu się wody lub gazów. Ten rodzaj powłoki barierowej może być stosowany do ochrony metalu w samochodach i innych pojazdach lub konstrukcji stalowych.
—Michael Strano
Strano i jego uczniowie badają teraz bardziej szczegółowo, w jaki sposób ten konkretny polimer jest w stanie tworzyć arkusze 2D i eksperymentują ze zmianą jego struktury molekularnej, aby stworzyć inne rodzaje nowych materiałów.
Badania zostały sfinansowane przez Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), Energy Frontier Research Center sponsorowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii USA oraz Wojskowe Laboratorium Badawcze.
Zasoby
-
Zeng Y., Gordiichuk P., Ichihara T. i in. (2022) „Nieodwracalna synteza ultramocnego dwuwymiarowego materiału polimerowego”. Natura 602, 91–95 doi: 10.1038/s41586-021-04296-3
