科学家们创造了相当于钢的塑料——坚固但不重。化学家有时将其称为聚合物，塑料是一类由称为单体的短重复单元组成的长链分子。与以前具有相同强度的聚合物不同，新材料仅它是膜形式的。它的气密性比市场上最不渗透的塑料高 50 倍。这种聚合物的另一个值得注意的方面是其合成简单。该过程在室温下进行，只需要廉价的材料，并且聚合物可以批量生产只有纳米厚的大片材。研究人员于 2 月 2 日在《自然》杂志上报告了他们的发现。
这种材料被称为聚酰胺，是酰胺分子单元的螺纹网络（酰胺是与氧键合的碳原子相连的氮化学基团）。此类聚合物包括凯夫拉尔（Kevlar）（一种用于制造防弹背心的纤维）和诺梅克斯（Nomex）（一种防火材料）。与凯夫拉纤维一样，新材料中的聚酰胺分子在整个链长上通过氢键相互连接，从而增强了材料的整体强度。
“它们像尼龙搭扣一样粘在一起，”麻省理工学院化学工程师、主要作者迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）说。撕裂材料不仅需要破坏单个分子链，还需要克服渗透整个聚合物束的巨大分子间氢键。
此外，新型聚合物可以自动形成薄片。这使得该材料易于加工，因为它可以制成薄膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物往往以线性链的形式生长，或反复支化和分支。无论方向如何，都可以在三个维度上链接。但 Strano 的聚合物以独特的方式在二维中生长，形成纳米片。
“你能在一张纸上汇总吗？事实证明，在大多数情况下，除非我们工作，否则你无法做到这一点，”斯特拉诺说。“因此，我们找到了一种新机制。”在最近的这项工作中，他的团队克服了一个障碍，使这种二维聚合成为可能。
聚芳酰胺具有平面结构的原因是聚合物合成涉及一种称为自催化模板的机制：随着聚合物伸长并粘附到单体构建块上，不断增长的聚合物网络诱导后续单体仅以正确的方向结合，以加强单体的结合二维结构。研究人员证明，他们可以轻松地将溶液中的聚合物涂覆到晶圆上，形成厚度小于 4 纳米的英寸宽层压板。这几乎是普通办公用纸厚度的百万分之一。
为了量化聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针在悬浮的材料片上戳孔所需的力。这种聚酰胺确实比传统聚合物（例如用于制造降落伞的织物尼龙）更硬。拧开这种超强聚酰胺所需的力是相同厚度钢的两倍。根据 Strano 的说法，这种物质可以用作金属表面（例如汽车饰面）的保护涂层，或用作净化水的过滤器。在后一种功能中，理想的过滤膜需要足够薄但足够坚固，能够承受高压，而不会泄漏小的、令人讨厌的污染物到我们的最终供应中——这非常适合这种聚酰胺材料。
未来，斯特拉诺希望将聚合方法扩展到凯夫拉尔类似物之外的不同聚合物。“聚合物就在我们周围，”他说，“它们无所不能。”想象一下，将许多不同种类的聚合物，甚至是可以导电或导光的奇异聚合物，变成可以覆盖各种表面的薄膜，他补充道。“由于这种新机制，也许现在可以使用其他种类的聚合物，”斯塔诺说道。
斯特拉诺说，在一个被塑料包围的世界里，社会有理由对另一种新型聚合物感到兴奋，它的机械性能非同寻常。这种芳纶非常耐用，这意味着我们可以取代日常塑料，从油漆到袋子再到食品包装，斯特拉诺补充说，从可持续发展的角度来看，这种超强的二维聚合物是朝着让世界摆脱塑料的正确方向迈出的一步。
Shi En Kim（她通常被称为 Kim）是一位出生于马来西亚的自由科普作家和 2022 年《大众科学》春季版编辑实习生。她撰写的文章涉及从蜘蛛网（人类或蜘蛛本身）的奇特用途到垃圾收集器等主题。在外太空。
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发布时间：2022年5月19日