Wetenschappers hebben een plastic ontwikkeld dat gelijkwaardig is aan staal: sterk maar niet zwaar. Plastics, door chemici soms polymeren genoemd, zijn een klasse van lange ketenmoleculen die zijn opgebouwd uit korte, herhalende eenheden, monomeren genaamd. In tegenstelling tot eerdere polymeren met dezelfde sterkte, bestaat het nieuwe materiaal alleen in membraanvorm. Het is bovendien 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 slechts goedkope materialen en het polymeer kan in grote vellen van slechts nanometers dik worden geproduceerd. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 2 februari in het tijdschrift Nature.
Het betreffende materiaal heet polyamide, een netwerk van amide-moleculaire eenheden (amiden zijn stikstofgroepen die aan zuurstofgebonden koolstofatomen zijn gekoppeld). Voorbeelden van dergelijke polymeren zijn Kevlar, een vezel die wordt gebruikt voor kogelwerende vesten, en Nomex, een brandwerende stof. Net als bij Kevlar zijn de polyamidemoleculen in het nieuwe materiaal over de gehele lengte van hun ketens met elkaar verbonden door waterstofbruggen, wat de algehele sterkte van het materiaal verhoogt.
"Ze kleven aan elkaar als klittenband," aldus hoofdauteur Michael Strano, een chemisch ingenieur van 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 tot dunne films kan worden gemaakt of als dunne oppervlaktecoating kan worden gebruikt. Traditionele polymeren groeien doorgaans als lineaire ketens, of vertakken en verbinden zich herhaaldelijk in drie dimensies, ongeacht de oriëntatie. Maar de polymeren van Strano groeien op een unieke manier in 2D en vormen nanosheets.
"Kun je gegevens op een stuk papier aggregeren? Het blijkt dat dit in de meeste gevallen niet mogelijk is, tot ons onderzoek," aldus Strano. "Dus we hebben een nieuw mechanisme gevonden." In dit recente onderzoek heeft zijn team een obstakel overwonnen om deze tweedimensionale aggregatie mogelijk te maken.
De reden dat polyaramiden een vlakke structuur hebben, is dat de polymeersynthese een mechanisme omvat dat autocatalytische templatering wordt genoemd: naarmate het polymeer langer wordt en zich hecht aan de monomeerbouwstenen, zorgt het groeiende polymeernetwerk ervoor dat volgende monomeren zich alleen in de juiste richting combineren om de verbinding van de tweedimensionale structuur te versterken. De onderzoekers toonden aan dat ze het polymeer gemakkelijk in oplossing op wafers konden coaten om laminaten van een inch breed en minder dan 4 nanometer dik te creëren. 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 was om met een fijne naald gaatjes te prikken in een opgehangen vel materiaal. Dit polyamide is inderdaad stijver dan traditionele polymeren zoals nylon, het materiaal dat gebruikt wordt voor parachutes. Opmerkelijk is dat er twee keer zoveel kracht nodig is om dit superstevige polyamide los te schroeven als staal van dezelfde dikte. Volgens Strano kan de stof gebruikt worden als beschermende coating op metalen oppervlakken, zoals autolakken, of als filter om water te zuiveren. Voor die laatste toepassing moet het ideale filtermembraan dun maar sterk genoeg zijn om hoge drukken te weerstaan zonder dat kleine, hinderlijke verontreinigingen in ons drinkwater terechtkomen – een perfecte eigenschap voor dit polyamidemateriaal.
Strano hoopt in de toekomst de polymerisatiemethode uit te breiden naar andere polymeren dan dit Kevlar-analogon. "Polymeren zijn overal om ons heen", zei hij. "Ze doen alles." Stel je voor dat je allerlei verschillende soorten polymeren, zelfs exotische die elektriciteit of licht kunnen geleiden, kunt omzetten in dunne films die een verscheidenheid aan oppervlakken kunnen bedekken, voegt hij eraan toe. "Dankzij dit nieuwe mechanisme kunnen misschien ook andere soorten polymeren worden gebruikt", aldus Stano.
In een wereld die overspoeld wordt door plastic, heeft de maatschappij alle reden om enthousiast te zijn over een nieuw polymeer met allesbehalve gewone mechanische eigenschappen, aldus Strano. Dit aramide is extreem duurzaam, wat betekent dat we alledaags plastic, van verf tot tassen tot voedselverpakkingen, kunnen vervangen door minder en sterkere materialen. Strano voegde eraan toe dat dit supersterke 2D-polymeer vanuit een duurzaamheidsoogpunt een stap in de goede richting is om de wereld van plastic te bevrijden.
Shi En Kim (zoals ze meestal Kim wordt genoemd) is een in Maleisië geboren freelance wetenschapsjournalist en redactiestagiaire bij Popular Science in het voorjaar van 2022. Ze heeft uitgebreid geschreven over uiteenlopende onderwerpen, van de bijzondere toepassingen van spinnenwebben – door mensen of door spinnen zelf – tot vuilnisophalers in de ruimte.
Het Starliner-ruimtevaartuig van Boeing heeft het internationale ruimtestation ISS nog niet bereikt, maar experts zijn optimistisch over een derde testvlucht.
Wij nemen deel aan het Amazon Services LLC Associates Program, een affiliate-advertentieprogramma waarmee we inkomsten kunnen genereren door te linken naar Amazon.com en aanverwante sites. Door u te registreren of deze site te gebruiken, accepteert u onze Servicevoorwaarden.
Geplaatst op: 19 mei 2022