Ученые создали пластик, эквивалентный стали — прочный, но не тяжелый. Пластмассы, которые химики иногда называют полимерами, представляют собой класс длинноцепочечных молекул, состоящих из коротких повторяющихся единиц, называемых мономерами. В отличие от предыдущих полимеров такой же прочности, новый материал только поставляется в форме мембраны. Он также в 50 раз более герметичен, чем самый непроницаемый пластик на рынке. Еще одним примечательным аспектом этого полимера является простота синтеза. Процесс, который происходит при комнатной температуре, требует только дешевых материалов, а Полимер может производиться массово в виде больших листов толщиной всего в нанометры. Исследователи сообщают о своих выводах 2 февраля в журнале Nature.
Материал, о котором идет речь, называется полиамидом, представляющим собой переплетенную сеть молекулярных звеньев амидов (амиды представляют собой химические группы азота, присоединенные к атомам углерода, связанным с кислородом). К таким полимерам относятся кевлар, волокно, используемое для изготовления бронежилетов, и номекс, огнестойкий материал. прочная ткань. Как и кевлар, молекулы полиамида в новом материале связаны друг с другом водородными связями по всей длине своих цепочек, что повышает общую прочность материала.
«Они слипаются, как липучка», — сказал ведущий автор Майкл Страно, инженер-химик Массачусетского технологического института. Для разрыва материалов необходимо не только разрывать отдельные молекулярные цепи, но и преодолевать гигантские межмолекулярные водородные связи, которые пронизывают весь полимерный пучок.
Кроме того, новые полимеры могут автоматически образовывать хлопья. Это упрощает обработку материала, поскольку из него можно изготавливать тонкие пленки или использовать в качестве тонкопленочного поверхностного покрытия. Традиционные полимеры имеют тенденцию расти в виде линейных цепей или многократно разветвляться и Связь в трех измерениях, независимо от ориентации. Но полимеры Страно растут уникальным способом в 2D, образуя нанолисты.
«Можете ли вы собрать данные на листе бумаги? Оказывается, в большинстве случаев это невозможно сделать, пока мы не наработаем», — сказал Страно. «Итак, мы нашли новый механизм». В этой недавней работе его команда преодолела препятствие, чтобы сделать возможным такое двумерное агрегирование.
Причина, по которой полиарамиды имеют плоскую структуру, заключается в том, что синтез полимера включает механизм, называемый автокаталитическим шаблонированием: по мере того, как полимер удлиняется и прилипает к мономерным строительным блокам, растущая полимерная сеть побуждает последующие мономеры соединяться только в правильном направлении, чтобы усилить соединение полиарамидов. двумерная структура. Исследователи продемонстрировали, что они могут легко наносить полимер в растворе на пластины для создания ламинатов шириной в дюйм и толщиной менее 4 нанометров. Это почти одна миллионная толщины обычной офисной бумаги.
Чтобы количественно оценить механические свойства полимерного материала, исследователи измерили силу, необходимую для прокалывания отверстий в подвешенном листе материала с помощью тонкой иглы. Этот полиамид действительно более жесткий, чем традиционные полимеры, такие как нейлон, ткань, используемая для изготовления парашютов. Примечательно, что для отвинчивания этого сверхпрочного полиамида требуется в два раза больше силы, чем для стали той же толщины. По словам Страно, вещество можно использовать в качестве защитного покрытия на металлических поверхностях, например автомобильном шпоне, или в качестве фильтра для очистки воды. В последнем случае идеальная фильтрующая мембрана должна быть тонкой, но достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление без попадания мелких неприятных примесей в конечный продукт – идеальное соответствие этому полиамидному материалу.
В будущем Страно надеется распространить метод полимеризации на другие полимеры, помимо этого аналога кевлара. «Полимеры окружают нас повсюду», — сказал он. «Они делают все». Представьте себе превращение множества различных видов полимеров, даже экзотических, которые могут проводить электричество или свет, в тонкие пленки, которые могут покрывать различные поверхности, добавляет он. «Благодаря этому новому механизму, возможно, теперь можно будет использовать и другие виды полимеров». - сказал Стано.
По словам Страно, в мире, окруженном пластиком, у общества есть основания для волнения по поводу еще одного нового полимера, механические свойства которого далеко не обычные, говорит Страно. Этот арамид чрезвычайно прочен, а это означает, что мы можем заменить повседневный пластик: от красок до пакетов и упаковки для пищевых продуктов. с меньшим количеством и более прочными материалами. Страно добавил, что с точки зрения устойчивого развития этот сверхпрочный 2D-полимер является шагом в правильном направлении к освобождению мира от пластика.
Ши Эн Ким (как ее обычно называют Ким) — писатель-фрилансер малайзийского происхождения и стажер в редакционной статье журнала «Популярная наука весна 2022». Она много писала на самые разные темы — от причудливого использования паутины людьми или самими пауками до сборщиков мусора. в космическом пространстве.
Космический корабль Boeing Starliner еще не достиг Международной космической станции, но эксперты с оптимизмом смотрят на третий испытательный полет.
Мы являемся участником партнерской программы Amazon Services LLC, партнерской рекламной программы, предназначенной для того, чтобы мы могли получать комиссионные, размещая ссылки на Amazon.com и дочерние сайты. Регистрация или использование этого сайта означает принятие наших Условий обслуживания.
Время публикации: 19 мая 2022 г.