Gli scienziati hanno creato una plastica equivalente all'acciaio: resistente ma non pesante. Le materie plastiche, che i chimici a volte chiamano polimeri, sono una classe di molecole a catena lunga costituite da brevi unità ripetitive chiamate monomeri. A differenza dei precedenti polimeri della stessa resistenza, il nuovo materiale è disponibile sotto forma di membrana. Inoltre è 50 volte più ermetico rispetto alla plastica più impermeabile sul mercato. Un altro aspetto notevole di questo polimero è la sua semplicità di sintesi. Il processo, che avviene a temperatura ambiente, richiede solo materiali economici, e il il polimero può essere prodotto in serie in grandi fogli spessi solo nanometri. I ricercatori riportano i loro risultati il 2 febbraio sulla rivista Nature.
Il materiale in questione è chiamato poliammide, una rete filettata di unità molecolari ammidiche (le ammidi sono gruppi chimici di azoto attaccati ad atomi di carbonio legati all'ossigeno). Tali polimeri includono il Kevlar, una fibra utilizzata per realizzare giubbotti antiproiettile, e Nomex, un materiale ignifugo. tessuto resistente. Come il Kevlar, le molecole di poliammide nel nuovo materiale sono collegate tra loro da legami idrogeno lungo l'intera lunghezza delle loro catene, il che migliora la resistenza complessiva del materiale.
"Si attaccano insieme come il velcro", ha detto l'autore principale Michael Strano, un ingegnere chimico del MIT. Per strappare i materiali è necessario non solo rompere le singole catene molecolari, ma anche superare i giganteschi legami idrogeno intermolecolari che permeano l'intero fascio polimerico.
Inoltre, i nuovi polimeri possono formare automaticamente 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 a ramificarsi ripetutamente. si collegano in tre dimensioni, indipendentemente dall'orientamento. Ma i polimeri di Strano crescono in un modo unico in 2D per formare nanofogli.
“Si può aggregare su un pezzo di carta? Si scopre che, nella maggior parte dei casi, non è possibile farlo fino al nostro lavoro", ha detto Strano."Quindi, abbiamo trovato un nuovo meccanismo." In questo recente lavoro, il suo team ha superato un ostacolo per rendere possibile questa aggregazione bidimensionale.
Il motivo per cui le poliarammidi hanno una struttura planare è che la sintesi del polimero coinvolge un meccanismo chiamato templating autocatalitico: quando il polimero si allunga e si attacca ai blocchi costitutivi del monomero, la rete polimerica in crescita induce i monomeri successivi a combinarsi solo nella giusta direzione per rafforzare l'unione dei struttura bidimensionale. I ricercatori hanno dimostrato che potevano facilmente rivestire il polimero in soluzione sui wafer per creare laminati larghi un pollice e spessi meno di 4 nanometri, ovvero 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 infatti più rigida dei polimeri tradizionali come il nylon, il tessuto utilizzato per realizzare i paracadute. Sorprendentemente, ci vuole il doppio della forza per svitare questa poliammide super resistente dell'acciaio dello stesso spessore. Secondo Strano, la sostanza può essere utilizzata come rivestimento protettivo su superfici metalliche, come le impiallacciature delle automobili, o come filtro per purificare l'acqua. In quest'ultima funzione, la membrana filtrante ideale deve essere sottile ma abbastanza resistente da resistere a pressioni elevate senza perdite di piccoli e fastidiosi contaminanti nella nostra fornitura finale: una soluzione perfetta per questo materiale in poliammide.
In futuro, Strano spera di estendere il metodo di polimerizzazione a diversi polimeri oltre a questo analogo del Kevlar. “I polimeri sono ovunque intorno a noi”, ha detto. “Fanno tutto”. Immagina di trasformare molti tipi diversi di polimeri, anche quelli esotici che possono condurre elettricità o luce, in pellicole sottili che possono coprire una varietà di superfici, aggiunge. "Grazie a questo nuovo meccanismo, forse ora possono essere utilizzati altri tipi di polimeri", Ha detto Stano.
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 detto Strano. Questa aramide è estremamente durevole, il che significa che possiamo sostituire la plastica di tutti i giorni, dalle vernici alle borse agli imballaggi alimentari, con meno materiali e più resistenti. Strano ha aggiunto che, dal punto di vista della sostenibilità, questo polimero 2D super resistente è 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 di Popular Science Primavera 2022. Ha scritto ampiamente su argomenti che vanno dagli usi bizzarri delle ragnatele - gli esseri umani o i ragni stessi - agli spazzini nello spazio.
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Orario di pubblicazione: 19 maggio 2022