Нанонити прочнее стали: новое изобретение
Ученые создали невероятно легкие нити нанометровой толщины, способные выдерживать груз в 200 раз тяжелее собственного веса
Самоформирующиеся наноленты частично вдохновлены тем, как молекулы могут собираться в мембраны или другие важные структуры в живой природе. Воссоздать этот процесс с помощью искусственно созданных молекул совсем непросто, однако ученые добились некоторого успеха, заставив их объединяться в водной среде.
«Подобные низкомолекулярные материалы имеют тенденцию к весьма быстрому разложению», — объясняет Джулия Ортони, доцент кафедры материаловедения и инженерии MIT. «Кроме того, они химически нестабильны. Вся конструкция разваливается, когда вы удаляете воду, особенно под воздействием любой внешней силы».
В течение нескольких лет Ортони и ее команда работали над новым классом малых молекул, которые, как они надеялись, могли устранить эти недостатки, и лишь недавно нашли решение. Новые молекулы имеют внешнюю часть, которая является гидрофильной и любит взаимодействовать с водой, а также внутреннюю часть, которая является гидрофобной и воды «боится. Все это связано прочными водородными связями по образу кевлара, которые позволяют одним молекулам плотно соединяться с другими.
Команда разработала этот рецепт после проб и ошибок с участием десятков конструкций молекул, и нашла его наиболее подходящим для конечных целей. Успех кроется в том, что деликатное сочетание гидрофобных и гидрофильных сегментов, наряду с плотной сетью водородных связей, заставляет отдельные молекулы двигаться в воде правильным образом, поскольку одни части притягиваются к жидкости, а другие отталкиваются — и при этом молекулы прочно связаны друг с другом.
Если к веществу добавить воду, то молекулы собираются в длинные ленты толщиной всего в один нанометр, которые оказались прочнее стали. Эти ленты растягиваются в длинные нити, которые можно сушить и обрабатывать. Команда обнаружила, что эти нити могут удерживать вес в 200 раз больше своего собственного. Материал также может похвастаться невероятно большой площадью поверхности — 200 квадратных метров на грамм.
Одна из областей, где могут пригодиться подобные типы материалов с большой площадью поверхности — это очистка воды. Команда Массачусетского технологического института исследовала эту возможность, покрывая ленты определенными молекулами и используя их для извлечения тяжелых металлов, таких как свинец и мышьяк, из загрязненной воды. Ученые также изучают, могут ли ленты быть частью передовых электронных устройств и батарей — не исключено, что с их помощью можно будет создать куда более энергоемкие аккумуляторы.
