Ученые создали пластик, эквивалентный стали — прочный, но не тяжелый. Пластмассы, которые химики иногда называют полимерами, представляют собой класс длинноцепочечных молекул, состоящих из коротких повторяющихся звеньев, называемых мономерами. В отличие от предыдущих полимеров той же прочности, новый материал существует только в виде мембран. Он также в 50 раз более воздухонепроницаем, чем самый непроницаемый пластик на рынке. Еще одним примечательным аспектом этого полимера является простота его синтеза. Процесс, который происходит при комнатной температуре, требует только дешевых материалов, и полимер может производиться в больших листах толщиной всего в нанометры. Результаты своих исследований ученые опубликовали 2 февраля в журнале Nature.
Рассматриваемый материал называется полиамидом, представляющим собой сетчатую структуру из амидных молекулярных единиц (амиды — это азотсодержащие химические группы, присоединенные к атомам углерода, связанным с кислородом). К таким полимерам относятся кевлар, волокно, используемое для изготовления бронежилетов, и номекс, огнестойкая ткань. Как и кевлар, молекулы полиамида в новом материале связаны друг с другом водородными связями по всей длине своих цепей, что повышает общую прочность материала.
«Они склеиваются, как липучка», — сказал ведущий автор исследования Майкл Страно, инженер-химик из Массачусетского технологического института. Разрыв материалов требует не только разрыва отдельных молекулярных цепочек, но и преодоления гигантских межмолекулярных водородных связей, пронизывающих весь полимерный пучок.
Кроме того, новые полимеры способны автоматически образовывать хлопья. Это упрощает обработку материала, поскольку из него можно изготавливать тонкие пленки или использовать в качестве тонкопленочного поверхностного покрытия. Традиционные полимеры, как правило, растут в виде линейных цепей или многократно разветвляются и соединяются в трех измерениях, независимо от ориентации. Но полимеры Страно растут уникальным образом в двумерном пространстве, образуя нанолисты.
«Можно ли собрать все элементы на листе бумаги? Оказывается, в большинстве случаев это невозможно, пока мы не провели эту работу», — сказал Страно. «Поэтому мы нашли новый механизм». В этой недавней работе его команда преодолела препятствие, сделав возможным это двухмерное объединение.
Причина плоской структуры полиарамидов заключается в том, что синтез полимеров включает механизм, называемый автокаталитическим темплатированием: по мере удлинения полимера и его присоединения к мономерным строительным блокам, растущая полимерная сетка побуждает последующие мономеры соединяться только в правильном направлении, чтобы укрепить связь двухмерной структуры. Исследователи продемонстрировали, что они могут легко наносить полимер в растворе на подложки для создания ламинатов шириной в дюйм и толщиной менее 4 нанометров. Это почти в миллион раз меньше толщины обычной офисной бумаги.
Для количественной оценки механических свойств полимерного материала исследователи измерили усилие, необходимое для прокалывания отверстий в подвешенном листе материала тонкой иглой. Этот полиамид действительно жестче, чем традиционные полимеры, такие как нейлон, ткань, используемая для изготовления парашютов. Примечательно, что для отвинчивания этого сверхпрочного полиамида требуется вдвое больше усилий, чем для отвинчивания стали той же толщины. По словам Страно, это вещество можно использовать в качестве защитного покрытия на металлических поверхностях, таких как автомобильный шпон, или в качестве фильтра для очистки воды. В последнем случае идеальная фильтрующая мембрана должна быть тонкой, но достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление, не допуская утечки мелких, нежелательных загрязняющих веществ в конечный водопровод — именно это идеально подходит для данного полиамидного материала.
В будущем Страно надеется распространить метод полимеризации на другие полимеры, помимо этого аналога кевлара. «Полимеры повсюду вокруг нас, — сказал он. — Они делают всё». Представьте себе, что вы можете превратить множество различных видов полимеров, даже экзотических, способных проводить электричество или свет, в тонкие пленки, которые могут покрывать самые разные поверхности, — добавляет он. — Благодаря этому новому механизму, возможно, теперь можно будет использовать и другие виды полимеров, — сказал Страно.
В мире, окруженном пластиком, у общества есть основания для радости по поводу нового полимера, механические свойства которого далеки от обычных, сказал Страно. Этот арамид чрезвычайно прочен, а это значит, что мы можем заменить повседневный пластик, от красок до пакетов и пищевой упаковки, меньшим количеством более прочных материалов. Страно добавил, что с точки зрения устойчивого развития этот сверхпрочный 2D-полимер — шаг в правильном направлении к освобождению мира от пластика.
Ши Энь Ким (как её обычно называют Ким) — внештатный научный журналист из Малайзии, стажёр редакции журнала Popular Science весной 2022 года. Она много писала на самые разные темы, от необычного использования паутины — людьми или самими пауками — до мусорщиков в космосе.
Космический корабль Starliner компании Boeing еще не достиг Международной космической станции, но эксперты оптимистично настроены относительно возможности третьего испытательного полета.
Мы являемся участником партнерской программы Amazon Services LLC Associates Program, партнерской рекламной программы, разработанной для того, чтобы мы могли получать вознаграждение за размещение ссылок на Amazon.com и аффилированные сайты. Регистрация или использование этого сайта означает принятие наших Условий обслуживания.
Дата публикации: 19 мая 2022 г.