Les scientifiques ont créé un plastique équivalent à l'acier – solide mais pas lourd. Les plastiques, que les chimistes appellent parfois polymères, sont une classe de molécules à longue chaîne constituées d'unités répétitives courtes appelées monomères. Contrairement aux polymères précédents de même résistance, le nouveau matériau ne se présente sous forme de membrane. Il est également 50 fois plus étanche à l'air que le plastique le plus imperméable du marché. Un autre aspect notable de ce polymère est sa simplicité de synthèse. Le processus, qui se déroule à température ambiante, ne nécessite que des matériaux bon marché, et le Le polymère peut être produit en masse en grandes feuilles de seulement quelques nanomètres d'épaisseur. Les chercheurs rapportent leurs découvertes le 2 février dans la revue Nature.
Le matériau en question s'appelle un polyamide, un réseau fileté d'unités moléculaires d'amide (les amides sont des groupes chimiques azotés attachés à des atomes de carbone liés à l'oxygène). Ces polymères comprennent le Kevlar, une fibre utilisée pour fabriquer des gilets pare-balles, et le Nomex, un matériau ignifuge. tissu résistant. Comme le Kevlar, les molécules de polyamide du nouveau matériau sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène sur toute la longueur de leurs chaînes, ce qui améliore la résistance globale du matériau.
"Ils collent ensemble comme du Velcro", a déclaré l'auteur principal Michael Strano, ingénieur chimiste au MIT. Déchirer des matériaux nécessite non seulement de briser des chaînes moléculaires individuelles, mais également de surmonter les liaisons hydrogène intermoléculaires géantes qui imprègnent l'ensemble du faisceau de polymères.
De plus, les nouveaux polymères peuvent former automatiquement des flocons. Cela rend le matériau facile à traiter, car il peut être transformé en films minces ou utilisé comme revêtement de surface en film mince. Les polymères traditionnels ont tendance à se développer sous forme de chaînes linéaires ou à se ramifier et à se ramifier de manière répétée. lien en trois dimensions, quelle que soit l'orientation. Mais les polymères de Strano se développent d'une manière unique en 2D pour former des nanofeuilles.
« Pouvez-vous regrouper sur un morceau de papier ? Il s'avère que dans la plupart des cas, vous ne pouvez pas le faire avant notre travail", a déclaré Strano. "Nous avons donc trouvé un nouveau mécanisme." Dans ce travail récent, son équipe a surmonté un obstacle pour rendre possible cette agrégation bidimensionnelle.
La raison pour laquelle les polyaramides ont une structure planaire est que la synthèse des polymères implique un mécanisme appelé modèle autocatalytique : à mesure que le polymère s'allonge et adhère aux éléments constitutifs du monomère, le réseau polymère en croissance induit les monomères suivants à se combiner uniquement dans la bonne direction pour renforcer l'union des structure bidimensionnelle. Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient facilement appliquer le polymère en solution sur des tranches pour créer des stratifiés d'un pouce de largeur de moins de 4 nanomètres d'épaisseur. Cela représente près d'un millionième de l'épaisseur du papier de bureau ordinaire.
Pour quantifier les propriétés mécaniques du matériau polymère, les chercheurs ont mesuré la force nécessaire pour percer des trous dans une feuille de matériau suspendue avec une fine aiguille. Ce polyamide est en effet plus rigide que les polymères traditionnels comme le nylon, le tissu utilisé pour fabriquer les parachutes. il faut deux fois plus de force pour dévisser ce polyamide ultra résistant que l'acier de même épaisseur. Selon Strano, la substance peut être utilisée comme revêtement protecteur sur des surfaces métalliques, telles que les placages de voitures, ou comme filtre pour purifier l'eau. Dans cette dernière fonction, la membrane filtrante idéale doit être fine mais suffisamment solide pour résister à des pressions élevées sans fuite de petits contaminants nuisibles dans notre approvisionnement final – un ajustement parfait pour ce matériau polyamide.
À l'avenir, Strano espère étendre la méthode de polymérisation à différents polymères au-delà de cet analogue du Kevlar. « Les polymères sont tout autour de nous », a-t-il déclaré. « Ils font tout. » Imaginez transformer de nombreux types différents de polymères, même exotiques, capables de conduire l'électricité ou la lumière, en films minces pouvant recouvrir diverses surfaces, ajoute-t-il. "Grâce à ce nouveau mécanisme, peut-être que d'autres types de polymères peuvent désormais être utilisés." dit Stano.
Dans un monde entouré de plastiques, la société a des raisons d'être enthousiasmée par un autre nouveau polymère dont les propriétés mécaniques sont tout sauf ordinaires, a déclaré Strano. Cet aramide est extrêmement durable, ce qui signifie que nous pouvons remplacer les plastiques quotidiens, des peintures aux sacs en passant par les emballages alimentaires. avec des matériaux moins nombreux et plus résistants. Strano a ajouté que du point de vue de la durabilité, ce polymère 2D ultra résistant est un pas dans la bonne direction pour libérer le monde du plastique.
Shi En Kim (comme on l'appelle habituellement Kim) est une rédactrice scientifique indépendante d'origine malaisienne et stagiaire en rédaction pour Popular Science Spring 2022. Elle a beaucoup écrit sur des sujets allant des utilisations originales des toiles d'araignées (les humains ou les araignées elles-mêmes) aux éboueurs. dans l'espace.
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Heure de publication : 19 mai 2022