Naukowcy stworzyli plastikowy odpowiednik stali — mocny, ale nie ciężki. Tworzywa sztuczne, które chemicy czasami nazywają polimerami, to klasa długołańcuchowych cząsteczek składających się z krótkich, powtarzających się jednostek zwanych monomerami. W przeciwieństwie do poprzednich polimerów o tej samej wytrzymałości, nowy materiał zawiera wyłącznie występuje w postaci membrany. Jest także 50 razy bardziej szczelny niż najbardziej nieprzepuszczalny plastik na rynku. Kolejnym godnym uwagi aspektem tego polimeru jest prostota syntezy. Proces, który odbywa się w temperaturze pokojowej, wymaga jedynie tanich materiałów, a polimer można produkować masowo w dużych arkuszach o grubości zaledwie nanometrów. Naukowcy opisali swoje odkrycia 2 lutego w czasopiśmie Nature.
Materiał, o którym mowa, nazywa się poliamidem i jest nitkowaną siecią amidowych jednostek molekularnych (amidy to chemiczne grupy azotu przyłączone do atomów węgla związanych z tlenem). Do takich polimerów zalicza się Kevlar – włókno używane do produkcji kamizelek kuloodpornych oraz Nomex – ognioodporny materiał. odporna tkanina. Podobnie jak kevlar, cząsteczki poliamidu w nowym materiale są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi na całej długości łańcuchów, co zwiększa ogólną wytrzymałość materiału.
„Sklejają się jak rzepy” – powiedział główny autor Michael Strano, inżynier chemik z MIT. Rozdzieranie materiałów wymaga nie tylko rozerwania pojedynczych łańcuchów molekularnych, ale także pokonania gigantycznych międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, które przenikają całą wiązkę polimeru.
Ponadto nowe polimery mogą automatycznie tworzyć płatki. Dzięki temu materiał jest łatwy w obróbce, ponieważ można go formować w cienkie warstwy lub stosować jako cienkowarstwową powłokę powierzchniową. Tradycyjne polimery mają tendencję do wzrostu w postaci łańcuchów liniowych lub wielokrotnie rozgałęzionych i połączenie w trzech wymiarach, niezależnie od orientacji. Jednak polimery Strano rosną w unikalny sposób w 2D, tworząc nanoarkusze.
„Czy możesz agregować na kartce papieru? Okazuje się, że w większości przypadków nie da się tego zrobić, dopóki nie zaczniemy pracować” – powiedział Strano. „Więc znaleźliśmy nowy mechanizm”. W swojej niedawnej pracy jego zespół pokonał przeszkodę, aby umożliwić tę dwuwymiarową agregację.
Powodem, dla którego poliaramidy mają płaską strukturę, jest to, że synteza polimerów obejmuje mechanizm zwany autokatalitycznym szablonowaniem: w miarę wydłużania się polimeru i przyklejania się do bloków budulcowych monomeru, rosnąca sieć polimeru powoduje, że kolejne monomery łączą się tylko we właściwym kierunku, aby wzmocnić połączenie dwuwymiarową strukturę. Naukowcy wykazali, że mogą z łatwością pokryć polimerem w roztworze płytki, tworząc laminaty o szerokości cala i grubości mniejszej niż 4 nanometry. To prawie jedna milionowa grubość zwykłego papieru biurowego.
Aby określić ilościowo właściwości mechaniczne materiału polimerowego, badacze zmierzyli siłę potrzebną do przekłucia cienką igłą otworów w zawieszonym arkuszu materiału. Ten poliamid jest rzeczywiście sztywniejszy niż tradycyjne polimery, takie jak nylon, tkanina używana do produkcji spadochronów. Co ciekawe, do odkręcenia tego supermocnego poliamidu potrzeba dwukrotnie większej siły niż stali o tej samej grubości. Według Strano substancja ta może być stosowana jako powłoka ochronna na powierzchniach metalowych, takich jak forniry samochodowe, lub jako filtr do oczyszczania wody. W przypadku tej drugiej funkcji idealna membrana filtracyjna musi być cienka, ale wystarczająco mocna, aby wytrzymać wysokie ciśnienia bez przedostawania się małych, uciążliwych zanieczyszczeń do naszego końcowego produktu – co idealnie pasuje do tego materiału poliamidowego.
W przyszłości Strano ma nadzieję rozszerzyć metodę polimeryzacji na inne polimery, wykraczające poza ten analog kevlaru. „Polimery są wszędzie wokół nas” – powiedział. „Robią wszystko”. Wyobraźcie sobie zamianę wielu różnych rodzajów polimerów, nawet tych egzotycznych, które przewodzą prąd lub światło, w cienkie warstwy, które mogą pokrywać różne powierzchnie – dodaje. „Dzięki temu nowemu mechanizmowi być może będzie można teraz zastosować inne rodzaje polimerów”. – powiedział Stano.
Strano powiedział, że w świecie otoczonym tworzywami sztucznymi społeczeństwo ma powody do ekscytacji kolejnym nowym polimerem, którego właściwości mechaniczne nie są zwyczajne. Aramid jest niezwykle trwały, co oznacza, że możemy zastąpić tworzywa sztuczne stosowane na co dzień, od farb, toreb po opakowania żywności, z mniejszej liczby i mocniejszych materiałów. Strano dodał, że z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju ten super mocny polimer 2D jest krokiem we właściwym kierunku, mającym na celu uwolnienie świata od plastiku.
Shi En Kim (jak zwykle nazywa się ją Kim) to urodzona w Malezji niezależna pisarka naukowa i stażystka w redakcji „Popular Science Spring 2022”. Pisała obszernie na różne tematy, od dziwacznych zastosowań pajęczyn – ludzi lub samych pająków – po śmieciarki w przestrzeni kosmicznej.
Sonda Starliner Boeinga nie dotarła jeszcze na Międzynarodową Stację Kosmiczną, ale eksperci optymistycznie patrzą na trzeci lot testowy.
Jesteśmy uczestnikiem Programu stowarzyszonego Amazon Services LLC, stowarzyszonego programu reklamowego, którego celem jest umożliwienie nam zarabiania opłat poprzez tworzenie łączy z Amazon.com i stronami stowarzyszonymi. Rejestracja lub korzystanie z tej witryny oznacza akceptację naszych Warunków świadczenia usług.
Czas publikacji: 19 maja 2022 r