科学者たちは、鋼鉄と同等の強度を持ちながら重くないプラスチックを開発した。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のみ提供される。また、市場で最も不浸透性のプラスチックの50倍の気密性も実現している。このポリマーのもう一つの注目すべき点は、合成の簡便性である。室温で行われるこのプロセスには安価な材料しか必要とせず、このポリマーはわずかナノメートルの厚さの大きなシートとして大量生産することができる。研究者らは、この研究結果を2月2日付けのネイチャー誌に発表した。
問題の素材はポリアミドと呼ばれ、アミド分子単位の網目構造です（アミドは酸素と結合した炭素原子に結合した窒素化学基です）。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、耐火性織物であるノーメックスなどがあります。ケブラーと同様に、新素材のポリアミド分子は、その鎖の全長にわたって水素結合によって互いに結合しており、これにより素材全体の強度が向上します。
「それらはマジックテープのようにくっつくのです」とMITの化学エンジニアで筆頭著者のマイケル・ストラノ氏は言う。物質を引き裂くには、個々の分子鎖を破壊するだけでなく、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、新しいポリマーは自動的にフレークを形成できます。これにより、この材料は加工しやすくなり、薄膜にしたり、薄膜表面コーティングとして使用したりできます。従来のポリマーは、直線状の鎖として成長するか、配向に関係なく、3次元的に繰り返し分岐して結合する傾向があります。しかし、Strano のポリマーは、2D で独自の方法で成長してナノシートを形成します。
「一枚の紙の上に凝集体を作ることはできるでしょうか？ほとんどの場合、私たちの研究までは不可能でした」とストラノ氏は述べた。「そこで、私たちは新しいメカニズムを発見したのです」。この最近の研究で、彼のチームはこの二次元的な凝集体を作るためのハードルを克服した。
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与しているためです。ポリマーが長くなってモノマーの構成要素にくっつくと、成長するポリマーネットワークによって、後続のモノマーが正しい方向にのみ結合し、2次元構造の結合が強化されます。研究者は、溶液中のポリマーをウェハー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、通常の事務用紙の厚さのほぼ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、吊り下げたシート状の材料に細い針で穴を開けるため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繊維であ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外すには、同じ厚さの鋼鉄の2倍の力が必要である。ストラノ氏によると、この物質は、自動車のベニアなどの金属表面の保護コーティングとして、または浄水用の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くても、最終供給物に小さな厄介な汚染物質を漏らさずに高圧に耐えるほど十分に強度がなければならないが、このポリアミド材料はまさにその条件にぴったりである。
将来、ストラノ氏はこの重合法をケブラー類似体以外の様々なポリマーにも応用したいと考えています。「ポリマーは私たちの身の回りにあふれています」と彼は言います。「ポリマーはあらゆる用途に使われています。」電気や光を伝導する珍しいポリマーも含め、様々な種類のポリマーを薄膜に加工し、様々な表面を覆うことができる様子を想像してみてください、と彼は付け加えます。「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用できるようになるかもしれません」とスタノ氏は言います。
プラスチックに囲まれた世界において、機械的特性が普通ではないもう一つの新しいポリマーに社会が興奮するのには理由があるとストラノ氏は述べた。このアラミドは極めて耐久性があり、塗料からバッグ、食品包装まで、日常的に使用するプラスチックを、より少ない、より強力な材料に置き換えることができることを意味する。ストラノ氏は、持続可能性の観点から、この超強力な2D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。
シ・エン・キム（普段はキムと呼ばれています）は、マレーシア生まれのフリーランスのサイエンスライターであり、ポピュラーサイエンス2022年春号の編集インターンです。彼女は、クモの巣（人間やクモ自身）の奇妙な使い方から、宇宙のゴミ収集機まで、幅広いトピックについて執筆しています。
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投稿日時: 2022年5月19日