Новый материал представляет собой двумерный полимер, изготовленный из меламина , который, в отличие от всех других полимеров, образующих одномерные цепочки, похожие на спагетти, самоорганизуется в листы. До сих пор ученые считали невозможным заставить полимеры образовывать двумерные листы.
По словам Майкла Страно, профессора химической инженерии Массачусетского технологического института и старшего автора нового исследования, такой материал можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для деталей автомобилей или мобильных телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов и других конструкций.
«Мы обычно не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для поддержки здания, но с этим материалом можно сделать что-то новое», — говорит он. «У него очень необычные свойства, и мы очень рады этому».
Исследователи подали заявки на два патента на процесс получения материала, который они описали в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature . Ведущим автором исследования является научный сотрудник Массачусетского технологического института Ювэнь Цзэн.
Два измерения
Полимеры, которые включают все виды пластика, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. Эти цепочки растут, добавляя новые молекулы на свои концы. После формирования полимеры можно формировать в трехмерные объекты, например, бутылки для воды, с помощью литья под давлением.
Ученые-полимерологи давно выдвигали гипотезу, что если бы полимеры можно было заставить расти в двумерный лист, они должны были бы образовывать чрезвычайно прочные, легкие материалы. Однако многие десятилетия работы в этой области привели к выводу, что создать такие листы невозможно. Одной из причин этого было то, что если хотя бы один мономер вращается вверх или вниз из плоскости растущего листа, материал начнет расширяться в трех измерениях, и листообразная структура будет потеряна.
Однако в новом исследовании Страно и его коллеги придумали новый процесс полимеризации, который позволяет им генерировать двумерный лист, называемый полиарамидом. Для мономерных строительных блоков они используют соединение, называемое меламином, которое содержит кольцо из атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски накладываются друг на друга, удерживаясь вместе водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной.
«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем сделать молекулярную плоскость, похожую на лист, где молекулы сцепляются друг с другом в двух измерениях», — говорит Страно. «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, мы можем легко наносить тонкие пленки методом центрифугирования, которые будут необычайно прочными».
Поскольку материал самоорганизуется 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.
«Благодаря этому прогрессу у нас есть плоские молекулы, из которых будет гораздо проще сформировать очень прочный, но чрезвычайно тонкий материал», — говорит Страно.
Легкий, но сильный
Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового материала — мера того, сколько силы требуется для деформации материала — в четыре-шесть раз больше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также обнаружили, что его предел текучести, или сколько силы требуется для разрушения материала, в два раза больше, чем у стали, хотя плотность материала составляет всего около одной шестой плотности стали.
Еще одной ключевой особенностью 2DPA-1 является то, что он непроницаем для газов. В то время как другие полимеры состоят из спиральных цепей с зазорами, через которые могут просачиваться газы, новый материал состоит из мономеров, которые сцепляются друг с другом, как LEGO, и молекулы не могут попасть между ними.
«Это может позволить нам создавать сверхтонкие покрытия, которые полностью предотвращают проникновение воды или газов», — говорит Страно. «Такого рода барьерное покрытие можно использовать для защиты металла в автомобилях и других транспортных средствах или стальных конструкциях».
Сейчас Страно и его ученики более подробно изучают, как этот конкретный полимер способен образовывать двумерные листы, и экспериментируют с изменением его молекулярной структуры, чтобы создать другие типы новых материалов.
Исследование финансировалось Центром усовершенствованного наножидкостного транспорта (CENT), исследовательским центром Energy Frontier, спонсируемым Управлением науки Министерства энергетики США и Исследовательской лабораторией армии США.
Контакты для новостей:
Электронная почта: [электронная почта защищена]
Тел: + 86-28-8411-1861