Novi materijal je dvodimenzionalni polimer, izrađen od melamina , koji se sam sastavlja u listove, za razliku od svih ostalih polimera koji tvore jednodimenzionalne lance nalik špagetima. Do sada su znanstvenici vjerovali da je nemoguće potaknuti polimere da formiraju dvodimenzionalne listove.
Takav materijal mogao bi se koristiti kao lagani, izdržljivi premaz za automobilske dijelove ili mobitele, ili kao građevinski materijal za mostove ili druge konstrukcije, kaže Michael Strano, profesor kemijskog inženjerstva na MIT-u i glavni autor nove studije.
„Obično ne razmišljamo o plastici kao o nečemu što bismo mogli koristiti za podupiranje zgrade, ali s ovim materijalom možemo omogućiti nove stvari“, kaže. „Ima vrlo neobična svojstva i jako smo uzbuđeni zbog toga.“
Istraživači su podnijeli dva patentna zahtjeva za proces koji su koristili za stvaranje materijala, koji opisuju u radu objavljenom danas u časopisu Nature . MIT-ov postdoktorand Yuwen Zeng glavni je autor studije.
Dvije dimenzije
Polimeri, koji uključuju sve plastike, sastoje se od lanaca gradivnih blokova koji se nazivaju monomeri. Ti lanci rastu dodavanjem novih molekula na svoje krajeve. Nakon što se formiraju, polimeri se mogu oblikovati u trodimenzionalne objekte, poput boca za vodu, korištenjem injekcijskog prešanja.
Znanstvenici koji se bave polimerima dugo su pretpostavljali da bi, ako bi se polimeri mogli potaknuti da rastu u dvodimenzionalni sloj, trebali formirati izuzetno jake i lagane materijale. Međutim, desetljeća rada na ovom području dovela su do zaključka da je nemoguće stvoriti takve slojeve. Jedan od razloga za to bio je taj što ako se samo jedan monomer okreće gore ili dolje, izvan ravnine rastućeg sloja, materijal će se početi širiti u tri dimenzije i struktura nalik sloju će se izgubiti.
Međutim, u novoj studiji, Strano i njegovi kolege osmislili su novi proces polimerizacije koji im omogućuje stvaranje dvodimenzionalnog sloja nazvanog poliaramid. Za monomerne građevne blokove koriste spoj nazvan melamin, koji sadrži prsten atoma ugljika i dušika. Pod pravim uvjetima, ovi monomeri mogu rasti u dvije dimenzije, formirajući diskove. Ovi diskovi se slažu jedan na drugi, a drže ih vodikove veze između slojeva, što strukturu čini vrlo stabilnom i jakom.
„Umjesto da stvaramo molekulu nalik špagetu, možemo napraviti molekularnu ravninu nalik listu, gdje se molekule spajaju u dvije dimenzije“, kaže Strano. „Ovaj mehanizam se spontano događa u otopini, a nakon što sintetiziramo materijal, možemo lako centrifugirati tanke filmove koji su izvanredno jaki.“
Budući da se materijal samostalno sastavlja u otopini, može se proizvoditi u velikim količinama jednostavnim povećanjem količine početnih materijala. Istraživači su pokazali da mogu premazati površine filmovima materijala, koji nazivaju 2DPA-1.
„S ovim napretkom imamo planarne molekule koje će biti puno lakše oblikovati u vrlo jak, ali izuzetno tanak materijal“, kaže Strano.
Lagana, ali jaka
Istraživači su otkrili da je modul elastičnosti novog materijala - mjera sile potrebne za deformaciju materijala - između četiri i šest puta veći od modula elastičnosti neprobojnog stakla. Također su otkrili da je njegova granica razvlačenja, odnosno sila potrebna za lomljenje materijala, dvostruko veća od one čelika, iako materijal ima samo oko jednu šestinu gustoće čelika.
Još jedna ključna značajka 2DPA-1 je nepropustnost za plinove. Dok su drugi polimeri izrađeni od spiralnih lanaca s prazninama koje omogućuju prodiranje plinova, novi materijal izrađen je od monomera koji se spajaju poput LEGO kockica i molekule ne mogu ući između njih.
„To bi nam moglo omogućiti stvaranje ultra tankih premaza koji mogu potpuno spriječiti prolazak vode ili plinova“, kaže Strano. „Ova vrsta barijernog premaza mogla bi se koristiti za zaštitu metala u automobilima i drugim vozilima ili čeličnih konstrukcija.“
Strano i njegovi studenti sada detaljnije proučavaju kako ovaj određeni polimer može formirati 2D listove i eksperimentiraju s promjenom njegovog molekularnog sastava kako bi stvorili druge vrste novih materijala.
Istraživanje je financirao Centar za poboljšani nanofluidni transport (CENT), Istraživački centar na energetskim granicama koji sponzoriraju Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a i Vojni istraživački laboratorij.
Kontakt za vijesti:
E-mail: [e-pošta zaštićena]
Tel: + 86-28-8411-1861