Gli scienziati hanno creato una plastica equivalente all'acciaio: resistente ma non pesante. Le plastiche, che i chimici a volte chiamano polimeri, sono una classe di molecole a catena lunga composte da brevi unità ripetitive chiamate monomeri. A differenza dei precedenti polimeri con la stessa resistenza, il nuovo materiale si presenta solo sotto forma di membrana. È inoltre 50 volte più ermetico della plastica più impermeabile attualmente sul mercato. Un altro aspetto notevole di questo polimero è la semplicità della sua sintesi. Il processo, che avviene a temperatura ambiente, richiede solo materiali economici e il polimero può essere prodotto in serie in grandi fogli spessi solo pochi nanometri. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 2 febbraio sulla rivista Nature.
Il materiale in questione è chiamato poliammide, una rete intrecciata di unità molecolari ammidiche (le ammidi sono gruppi chimici azotati legati ad atomi di carbonio con legami ossigeno). Tra questi polimeri si annoverano il Kevlar, una fibra utilizzata per la produzione di giubbotti antiproiettile, e il Nomex, un tessuto ignifugo. Come nel Kevlar, le molecole di poliammide nel nuovo materiale sono legate tra loro da legami idrogeno lungo tutta la lunghezza delle loro catene, il che aumenta la resistenza complessiva del materiale.
"Si attaccano tra loro come il velcro", ha affermato l'autore principale Michael Strano, ingegnere chimico del MIT. Strappare i materiali richiede non solo la rottura delle singole catene molecolari, ma anche il superamento dei giganteschi legami a idrogeno intermolecolari che permeano l'intero fascio polimerico.
Inoltre, i nuovi polimeri possono formare automaticamente delle scaglie. Ciò rende il materiale facile da lavorare, poiché può essere trasformato in film sottili o utilizzato come rivestimento superficiale a film sottile. I polimeri tradizionali tendono a crescere come catene lineari, o a ramificarsi e collegarsi ripetutamente in tre dimensioni, indipendentemente dall'orientamento. Ma i polimeri di Strano crescono in modo unico in 2D per formare nanofogli.
"È possibile aggregare dati su un foglio di carta? A quanto pare, nella maggior parte dei casi, non era possibile fino al nostro lavoro", ha affermato Strano. "Quindi, abbiamo trovato un nuovo meccanismo". In questo recente studio, il suo team ha superato un ostacolo per rendere possibile questa aggregazione bidimensionale.
Il motivo per cui i poliaramidi hanno una struttura planare è che la sintesi del polimero coinvolge un meccanismo chiamato stampaggio autocatalitico: man mano che il polimero si allunga e aderisce ai monomeri costitutivi, la rete polimerica in crescita induce i monomeri successivi a combinarsi solo nella giusta direzione per rafforzare l'unione della struttura bidimensionale. I ricercatori hanno dimostrato di poter facilmente rivestire il polimero in soluzione su wafer per creare laminati larghi un pollice e spessi meno di 4 nanometri. Si tratta di quasi un milionesimo dello spessore della normale carta da ufficio.
Per quantificare le proprietà meccaniche del materiale polimerico, i ricercatori hanno misurato la forza necessaria per praticare dei fori in un foglio di materiale sospeso con un ago sottile. Questa poliammide è effettivamente più rigida dei polimeri tradizionali come il nylon, il tessuto utilizzato per realizzare i paracadute. Sorprendentemente, per svitare questa poliammide super resistente occorre una forza doppia rispetto all'acciaio dello stesso spessore. Secondo Strano, la sostanza può essere utilizzata come rivestimento protettivo su superfici metalliche, come le impiallacciature delle auto, o come filtro per purificare l'acqua. In quest'ultima funzione, la membrana filtrante ideale deve essere sottile ma sufficientemente resistente da sopportare alte pressioni senza rilasciare piccoli contaminanti indesiderati nel prodotto finale: una caratteristica perfetta per questo materiale in poliammide.
In futuro, Strano spera di estendere il metodo di polimerizzazione a polimeri diversi da questo analogo del Kevlar. "I polimeri sono ovunque intorno a noi", ha affermato. "Fanno di tutto". Immaginate di trasformare molti tipi diversi di polimeri, anche quelli esotici in grado di condurre elettricità o luce, in pellicole sottili che possono ricoprire una varietà di superfici, aggiunge. "Grazie a questo nuovo meccanismo, forse ora si potranno utilizzare altri tipi di polimeri", ha concluso Strano.
In un mondo circondato dalla plastica, la società ha motivo di essere entusiasta di un altro nuovo polimero le cui proprietà meccaniche sono tutt'altro che ordinarie, ha affermato Strano. Questa aramide è estremamente resistente, il che significa che possiamo sostituire le plastiche di uso quotidiano, dalle vernici alle borse agli imballaggi alimentari, con materiali più resistenti e in quantità minore. Strano ha aggiunto che, dal punto di vista della sostenibilità, questo polimero 2D super resistente rappresenta un passo nella giusta direzione per liberare il mondo dalla plastica.
Shi En Kim (come viene solitamente chiamata Kim) è una scrittrice scientifica freelance di origine malese e stagista editoriale presso Popular Science nella primavera del 2022. Ha scritto ampiamente su argomenti che spaziano dagli usi bizzarri delle ragnatele – da parte degli esseri umani o dei ragni stessi – ai netturbini nello spazio.
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Data di pubblicazione: 19 maggio 2022