Ученые из МТИ создали 2D-полимер легче пластика и прочнее стали
Используя новый процесс полимеризации, инженеры-химики Массачусетского технологического института создали материал, который прочнее стали и такой же легкий, как пластик. Кроме того, его можно легко производить в больших количествах.
Это двумерный полимер, который самостоятельно собирается в листы, в отличие от всех других полимеров, образующих одномерные цепочки. До сих пор ученые считали, что заставить полимеры формировать двумерные листы невозможно.
Такой материал можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для автомобильных деталей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов или других конструкций, говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения Carbon P. Dubbs в МТИ.
Исследователи подали заявки на два патента процесса создания материала, который они описывают в статье, опубликованной в журнале Nature.
Полимеры, к которым относятся все пластмассы, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. После формирования полимеры могут быть преобразованы в трехмерные объекты с помощью литья под давлением.
Ученые-полимерщики давно выдвинули гипотезу, что если бы полимеры можно было заставить вырасти в двумерный лист, они должны были бы образовывать чрезвычайно прочные и легкие материалы. Однако многие десятилетия работы в этой области не давали результатов. Одной из причин этого было то, что если хотя бы один мономер будет вращаться вверх или вниз из плоскости растущего листа, материал начнет расширяться в трех измерениях, и листовая структура будет потеряна.
Однако исследователи придумали новый процесс полимеризации, который позволяет им создавать двумерный лист, называемый полиарамидом. В качестве мономерных строительных блоков они используют соединение под названием меламин, которое содержит кольцо из атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, скрепленные водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной.
«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем создать пластинчатую молекулярную плоскость, где мы заставляем молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях», — говорят авторы разработки. — «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, то можем легко наносить центрифугированием на тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью».
Поскольку материал самособирается в растворе, его можно производить в больших количествах, просто увеличивая количество исходных материалов. Исследователи показали, что они могут покрывать поверхности пленками материала, который они называют 2DPA-1.
Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового материала — показатель силы, необходимой для деформации, — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также обнаружили, что его предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали, хотя полимер имеет лишь одну шестую плотности стали.
Еще одной ключевой особенностью материала является его газонепроницаемость. В то время как другие полимеры состоят из скрученных цепочек с промежутками, через которые просачиваются газы, новый материал состоит из мономеров, которые соединяются вместе, как LEGO, и молекулы не могут проникать между ними.
«Это может позволить нам создавать ультратонкие покрытия, которые могут полностью предотвратить проникновение воды или газов», — говорят ученые. — «Этот тип барьерного покрытия можно использовать для защиты металла в автомобилях и других транспортных средствах или стальных конструкциях».
Теперь исследователи более подробно изучают, как этот конкретный полимер способен формировать 2D-листы, и экспериментируют с изменением его молекулярного состава для создания других типов новых материалов.
