Nový materiál je dvourozměrný polymer vyrobený z melaminu , který se sám sestavuje do vrstev, na rozdíl od všech ostatních polymerů, které tvoří jednorozměrné řetězce podobné špagetám. Vědci se doposud domnívali, že je nemožné přimět polymery k tvorbě dvourozměrných vrstev.
Takový materiál by mohl být použit jako lehký a odolný nátěr pro automobilové díly nebo mobilní telefony, případně jako stavební materiál pro mosty či jiné konstrukce, říká Michael Strano, profesor chemického inženýrství na MIT a hlavní autor nové studie.
„Obvykle si plasty nevšímáme jako něco, co by se dalo použít k podepření budovy, ale s tímto materiálem lze umožnit nové věci,“ říká. „Má velmi neobvyklé vlastnosti a my jsme z toho velmi nadšení.“
Výzkumníci podali dvě patentové přihlášky na proces, který použili k výrobě materiálu, který popisují v článku publikovaném dnes v časopise Nature . Hlavním autorem studie je postdoktorand MIT Yuwen Zeng.
Dva rozměry
Polymery, mezi které patří všechny plasty, se skládají z řetězců stavebních bloků zvaných monomery. Tyto řetězce rostou přidáváním nových molekul na své konce. Jakmile jsou polymery vytvořeny, lze je pomocí vstřikování plastů tvarovat do trojrozměrných objektů, jako jsou například lahve na vodu.
Vědci zabývající se polymery již dlouho předpokládají, že pokud by se polymery daly vyvinout do dvourozměrné vrstvy, měly by tvořit extrémně pevné a lehké materiály. Mnoho desetiletí práce v této oblasti však vedlo k závěru, že takové vrstvy není možné vytvořit. Jedním z důvodů bylo, že pokud by se pouze jeden monomer otáčel nahoru nebo dolů mimo rovinu rostoucí vrstvy, materiál by se začal rozpínat ve třech rozměrech a struktura podobná vrstvě by se ztratila.
V nové studii však Strano a jeho kolegové přišli s novým polymerizačním procesem, který jim umožňuje vytvořit dvourozměrnou vrstvu zvanou polyaramid. Jako stavební bloky monomerů používají sloučeninu zvanou melamin, která obsahuje kruh atomů uhlíku a dusíku. Za správných podmínek mohou tyto monomery růst ve dvou rozměrech a vytvářet disky. Tyto disky se na sebe vrství a drží pohromadě vodíkové vazby mezi vrstvami, což činí strukturu velmi stabilní a pevnou.
„Místo vytváření molekuly podobné špagetám můžeme vytvořit molekulární rovinu podobnou listu, kde se molekuly spojí ve dvou rozměrech,“ říká Strano. „Tento mechanismus probíhá spontánně v roztoku a poté, co materiál syntetizujeme, můžeme snadno nanášet tenké filmy odstředěním, které jsou mimořádně pevné.“
Protože se materiál v roztoku sám sestavuje, lze jej vyrobit ve velkém množství pouhým zvýšením množství výchozích materiálů. Vědci ukázali, že mohou pokrýt povrchy filmy materiálu, který nazývají 2DPA-1.
„Díky tomuto pokroku máme planární molekuly, které bude mnohem snazší přeměnit na velmi silný, ale extrémně tenký materiál,“ říká Strano.
Lehký, ale silný
Výzkumníci zjistili, že modul pružnosti nového materiálu – míra síly potřebné k deformaci materiálu – je čtyřikrát až šestkrát větší než u neprůstřelného skla. Zjistili také, že jeho mez kluzu, neboli síla potřebná k rozbití materiálu, je dvojnásobná oproti oceli, přestože má materiál pouze asi šestinovou hustotu oceli.
Další klíčovou vlastností 2DPA-1 je jeho nepropustnost pro plyny. Zatímco jiné polymery jsou vyrobeny ze stočených řetězců s mezerami, které umožňují pronikání plynů, nový materiál je vyroben z monomerů, které se do sebe zasouvají jako LEGO a molekuly se mezi ně nemohou dostat.
„To by nám mohlo umožnit vytvářet ultratenké povlaky, které dokáží zcela zabránit průniku vody nebo plynů,“ říká Strano. „Tento druh bariérového povlaku by mohl být použit k ochraně kovu v automobilech a jiných vozidlech nebo ocelových konstrukcí.“
Strano a jeho studenti nyní podrobněji studují, jak je tento konkrétní polymer schopen vytvářet 2D listy, a experimentují se změnou jeho molekulárního složení, aby vytvořili další typy nových materiálů.
Výzkum byl financován Centrem pro vylepšený nanofluidní transport (CENT), výzkumným centrem na hranicích energetiky sponzorovaným Úřadem pro vědu amerického ministerstva energetiky a Armádní výzkumnou laboratoří.
Novinky Kontakt:
Koordinátorka: Ivana Durgarian email: [chráněno e-mailem]
Tel: +86-28-8411-1861