Wetenschappers hebben een plastic gemaakt dat gelijkwaardig is aan staal: sterk maar niet zwaar. Kunststoffen, die scheikundigen soms polymeren noemen, zijn een klasse moleculen met lange ketens die zijn opgebouwd uit korte zich herhalende eenheden die monomeren worden genoemd. In tegenstelling tot eerdere polymeren met dezelfde sterkte, is het nieuwe materiaal alleen wordt geleverd in membraanvorm. Het is ook 50 keer luchtdichter dan het meest ondoordringbare plastic op de markt. Een ander opmerkelijk aspect van dit polymeer is de eenvoud van de synthese. Het proces, dat plaatsvindt bij kamertemperatuur, vereist alleen goedkope materialen, en de polymeer kan in massa worden geproduceerd in grote platen die slechts nanometer dik zijn. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen op 2 februari in het tijdschrift Nature.
Het materiaal in kwestie wordt een polyamide genoemd, een van schroefdraad voorzien netwerk van moleculaire amide-eenheden (amiden zijn chemische stikstofgroepen die aan zuurstofgebonden koolstofatomen zijn gebonden). Dergelijke polymeren omvatten Kevlar, een vezel die wordt gebruikt om kogelvrije vesten te maken, en Nomex, een brandwerende stof. resistente stof. Net als Kevlar zijn de polyamidemoleculen in het nieuwe materiaal met elkaar verbonden door waterstofbruggen over de gehele lengte van hun ketens, wat de algehele sterkte van het materiaal vergroot.
“Ze plakken aan elkaar als klittenband”, zegt hoofdauteur Michael Strano, een scheikundig ingenieur van het MIT. Het scheuren van materialen vereist niet alleen het verbreken van individuele moleculaire ketens, maar ook het overwinnen van de gigantische intermoleculaire waterstofbruggen die de hele polymeerbundel doordringen.
Bovendien kunnen de nieuwe polymeren automatisch vlokken vormen. Dit maakt het materiaal gemakkelijk te verwerken, omdat het in dunne films kan worden gemaakt of als dunne-film oppervlaktecoating kan worden gebruikt. Traditionele polymeren hebben de neiging om te groeien als lineaire ketens, of herhaaldelijk te vertakken en link in drie dimensies, ongeacht de oriëntatie. Maar de polymeren van Strano groeien op een unieke manier in 2D om nanosheets te vormen.
“Kun je aggregeren op een vel papier? Het blijkt dat je dit in de meeste gevallen pas kunt doen als we er werk van hebben gemaakt,' zei Strano. 'Dus hebben we een nieuw mechanisme gevonden.' In dit recente werk overwon zijn team een hindernis om deze tweedimensionale aggregatie mogelijk te maken.
De reden dat polyaramiden een vlakke structuur hebben, is dat bij de polymeersynthese een mechanisme betrokken is dat autokatalytische templating wordt genoemd: naarmate het polymeer langer wordt en aan de monomeerbouwstenen blijft plakken, zorgt het groeiende polymeernetwerk ervoor dat volgende monomeren alleen in de goede richting combineren om de vereniging van de monomeren te versterken. tweedimensionale structuur. De onderzoekers toonden aan dat ze het polymeer in oplossing gemakkelijk op wafers konden aanbrengen, waardoor laminaten van minder dan 4 nanometer dik konden worden gemaakt. Dat is bijna een miljoenste van de dikte van gewoon kantoorpapier.
Om de mechanische eigenschappen van het polymeermateriaal te kwantificeren, maten de onderzoekers de kracht die nodig is om met een fijne naald gaatjes in een hangend vel materiaal te prikken. Dit polyamide is inderdaad stijver dan traditionele polymeren zoals nylon, het weefsel dat wordt gebruikt om parachutes te maken. Opmerkelijk is dat het losschroeven van dit supersterke polyamide kost twee keer zoveel kracht als staal van dezelfde dikte. Volgens Strano kan de stof worden gebruikt als beschermende coating op metalen oppervlakken, zoals autofineer, of als filter om water te zuiveren. In deze laatste functie moet het ideale filtermembraan dun zijn, maar sterk genoeg om hoge drukken te kunnen weerstaan zonder kleine, hinderlijke verontreinigingen in onze uiteindelijke voorraad te lekken – een perfecte pasvorm voor dit polyamidemateriaal.
In de toekomst hoopt Strano de polymerisatiemethode uit te breiden naar andere polymeren dan dit Kevlar-analoog. “Polymeren zijn overal om ons heen,” zei hij. “Ze doen alles.” Stel je voor dat je veel verschillende soorten polymeren, zelfs exotische die elektriciteit of licht kunnen geleiden, in dunne films kunt veranderen die een verscheidenheid aan oppervlakken kunnen bedekken, voegt hij eraan toe. “Dankzij dit nieuwe mechanisme kunnen nu misschien andere soorten polymeren worden gebruikt.” zei Stano.
In een wereld omringd door kunststoffen heeft de samenleving reden om enthousiast te zijn over een nieuw polymeer waarvan de mechanische eigenschappen allesbehalve gewoon zijn, zei Strano. Dit aramide is extreem duurzaam, wat betekent dat we alledaagse kunststoffen kunnen vervangen, van verf tot tassen tot voedselverpakkingen. met minder en sterkere materialen. Strano voegde eraan toe dat dit supersterke 2D-polymeer vanuit duurzaamheidsoogpunt een stap in de goede richting is om de wereld van plastic te bevrijden.
Shi En Kim (zoals ze gewoonlijk Kim wordt genoemd) is een in Maleisië geboren freelance wetenschappelijk schrijver en redactiestagiaire van Popular Science Spring 2022. Ze heeft uitgebreid geschreven over onderwerpen variërend van het eigenzinnige gebruik van spinnenwebben (mensen of de spinnen zelf) tot vuilnismannen. in de ruimte.
Het Starliner-ruimtevaartuig van Boeing moet het internationale ruimtestation nog bereiken, maar experts zijn optimistisch over een derde testvlucht.
Wij nemen deel aan het Amazon Services LLC Associates Program, een partneradvertentieprogramma dat is ontworpen om ons een manier te bieden om vergoedingen te verdienen door te linken naar Amazon.com en aangesloten sites. Het registreren of gebruiken van deze site houdt in dat u akkoord gaat met onze Servicevoorwaarden.
Posttijd: 19 mei 2022