科学者たちは、鋼鉄に匹敵する強度を持ちながら軽量なプラスチックを作り出した。化学者がポリマーと呼ぶこともあるプラスチックは、モノマーと呼ばれる短い繰り返し単位からなる長鎖分子の一種である。同じ強度を持つ従来のポリマーとは異なり、この新素材は膜状でしか入手できない。また、市販されている最も気密性の高いプラスチックよりも50倍も気密性が高い。このポリマーのもう一つの注目すべき点は、合成の容易さである。室温で行われるこのプロセスは、安価な材料のみを必要とし、厚さわずかナノメートルの大きなシートで大量生産することができる。研究者たちは、2月2日に科学誌「ネイチャー」で研究成果を発表した。
問題の材料はポリアミドと呼ばれ、アミド分子単位（アミドは酸素結合した炭素原子に結合した窒素化学基）が糸状に連なったネットワーク構造を持つ。このようなポリマーには、防弾チョッキの製造に使用される繊維であるケブラーや、難燃性生地であるノーメックスなどがある。ケブラーと同様に、この新素材のポリアミド分子は、鎖の全長にわたって水素結合によって互いに連結されており、これにより材料全体の強度が高まっている。
「それらはマジックテープのようにくっついている」と、筆頭著者であるMITの化学エンジニア、マイケル・ストラノ氏は語った。材料を引き裂くには、個々の分子鎖を切断するだけでなく、ポリマー束全体に浸透している巨大な分子間水素結合を克服する必要がある。
さらに、この新しいポリマーは自動的にフレーク状になることができます。そのため、薄膜に加工したり、薄膜表面コーティングとして使用したりできるため、材料の加工が容易になります。従来のポリマーは、方向に関係なく、直線状の鎖として成長したり、3次元で繰り返し分岐して連結したりする傾向があります。しかし、ストラノのポリマーは、2次元で独自の方法で成長してナノシートを形成します。
「紙の上で集約することは可能でしょうか？ 実は、私たちの研究までは、ほとんどの場合不可能でした」とストラノ氏は語った。「そこで、私たちは新しいメカニズムを発見したのです。」 この最新の研究で、彼のチームは、この2次元集約を可能にするための障害を克服した。
ポリアラミドが平面構造を持つ理由は、ポリマー合成に自己触媒テンプレートと呼ばれるメカニズムが関わっているためです。ポリマーが伸びてモノマー構成要素に付着すると、成長するポリマーネットワークが後続のモノマーを正しい方向にのみ結合させ、二次元構造の結合を強化します。研究者らは、溶液中のポリマーをウェハ上に簡単にコーティングして、厚さ4ナノメートル未満の1インチ幅のラミネートを作成できることを実証しました。これは、通常のオフィス用紙の厚さのほぼ100万分の1です。
ポリマー材料の機械的特性を定量化するために、研究者らは吊り下げられた材料のシートに細い針で穴を開けるのに必要な力を測定した。このポリアミドは、パラシュートの製造に使用されるナイロンなどの従来のポリマーよりも確かに硬い。驚くべきことに、この超強力なポリアミドをねじって外すには、同じ厚さの鋼鉄の2倍の力が必要となる。ストラノ氏によると、この物質は、自動車のベニヤ板などの金属表面の保護コーティングとして、または水を浄化するフィルターとして使用できる。後者の機能では、理想的なフィルター膜は薄いが、小さな厄介な汚染物質が最終供給に漏れることなく高圧に耐えられるほど十分に強くなければならない。これは、このポリアミド材料に完璧に適合する。
将来的には、ストラノ氏は、このケブラー類似体以外のさまざまなポリマーにも重合方法を拡張したいと考えている。「ポリマーは私たちの身の回りに溢れています」と彼は言う。「ポリマーはあらゆる用途に使われています」。電気や光を伝導できる特殊なポリマーも含め、さまざまな種類のポリマーを、さまざまな表面を覆うことができる薄膜に変えることを想像してみてください、と彼は付け加える。「この新しいメカニズムのおかげで、他の種類のポリマーも使えるようになるかもしれません」とストラノ氏は語った。
プラスチックに囲まれた世界において、機械的特性が並外れた新しいポリマーに社会が興奮する理由はある、とストラノ氏は述べた。このアラミドは非常に耐久性が高く、塗料から袋、食品包装に至るまで、日常的に使われているプラスチックを、より少なく、より丈夫な材料に置き換えることができる。ストラノ氏はさらに、持続可能性の観点から、この超強力な2次元ポリマーは、世界をプラスチックから解放するための正しい方向への一歩であると付け加えた。
キム・シーエン（通称キム）は、マレーシア生まれのフリーランスの科学ライターであり、『ポピュラーサイエンス』誌2022年春号の編集インターンを務めた。彼女は、クモの巣の風変わりな利用法（人間によるものかクモ自身によるものかを問わず）から、宇宙空間のゴミ収集装置まで、幅広いテーマについて執筆している。
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投稿日時：2022年5月19日