[ad_1]
Новый материал представляет собой двумерный полимер, который самостоятельно собирается в листы.
Его можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для деталей автомобилей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов и других сооружений.
Используя новый процесс полимеризации, инженеры-химики Массачусетского технологического института создали новый материал, который прочнее стали и такой же легкий, как пластик, и его можно легко производить в больших количествах.
Новый материал представляет собой двумерный полимер, который самостоятельно собирается в листы, в отличие от всех других полимеров, образующих одномерные цепочки, похожие на спагетти.
До сих пор ученые считали, что заставить полимеры формировать двумерные листы невозможно.
Такой материал можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для автомобильных деталей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов или других конструкций, говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и старший автор книги. новое исследование.
«Обычно мы не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для поддержки здания, но с этим материалом вы можете создавать новые вещи», — говорит он.
«У него очень необычные свойства, и мы очень этому рады».
Исследователи подали заявки на два патента на процесс, который они использовали для создания материала, который они описывают в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature. Постдоктор Массачусетского технологического института Ювен Цзэн является ведущим автором исследования.
Два измерения
Полимеры, к которым относятся все пластмассы, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. Эти цепи растут, добавляя новые молекулы на их концы. После формирования полимеры могут быть преобразованы в трехмерные объекты, такие как бутылки с водой, с помощью литья под давлением.
Ученые-полимерщики давно выдвинули гипотезу, что если бы полимеры можно было заставить вырасти в двумерный лист, они должны были бы образовывать чрезвычайно прочные и легкие материалы. Однако многие десятилетия работы в этой области привели к выводу о невозможности создания таких листов. Одной из причин этого было то, что если хотя бы один мономер будет вращаться вверх или вниз из плоскости растущего листа, материал начнет расширяться в трех измерениях, и листовая структура будет потеряна.
Однако в новом исследовании Страно и его коллеги придумали новый процесс полимеризации, который позволяет им создавать двумерный лист, называемый полиарамидом. В качестве мономерных строительных блоков они используют соединение под названием меламин, которое содержит кольцо из атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, скрепленные водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной.
«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем создать пластинчатую молекулярную плоскость, где мы заставляем молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях», — говорит Страно. «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, мы можем легко наносить центрифугированием на тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью».
Поскольку материал самособирается в растворе, его можно производить в больших количествах, просто увеличивая количество исходных материалов. Исследователи показали, что они могут покрывать поверхности пленками материала, который они называют 2DPA-1.
«Благодаря этому прогрессу у нас есть плоские молекулы, которые будет намного проще превратить в очень прочный, но чрезвычайно тонкий материал», — говорит Страно.
Легкий, но сильный
Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового материала — показатель силы, необходимой для деформации материала, — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также обнаружили, что его предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали, хотя материал имеет лишь одну шестую плотности стали.
Мэтью Тиррелл, декан Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, говорит, что новая техника «воплощает в себе очень творческую химию для создания этих связанных 2D-полимеров».
«Важным аспектом этих новых полимеров является то, что они легко перерабатываются в растворе, что облегчит множество новых применений, где важно высокое соотношение прочности к массе, таких как новые композитные или диффузионно-барьерные материалы», — говорит Тиррелл, который не участвовал в разработке. обучение.
Еще одной ключевой особенностью 2ДПА-1 является его газонепроницаемость. В то время как другие полимеры состоят из скрученных цепочек с промежутками, через которые просачиваются газы, новый материал состоит из мономеров, которые соединяются вместе, как LEGO, и молекулы не могут попасть между ними.
«Это может позволить нам создавать ультратонкие покрытия, которые могут полностью предотвратить проникновение воды или газов», — говорит Страно. «Этот тип барьерного покрытия можно использовать для защиты металла в автомобилях и других транспортных средствах или стальных конструкций».
Страно и его ученики теперь более подробно изучают, как этот конкретный полимер способен формировать двумерные листы, и они экспериментируют с изменением его молекулярного состава для создания других типов новых материалов.
Автор Энн Трафтон.
[ad_2]
Source