Det nye materialet er en todimensjonal polymer, laget av melamin , som selvmonteres til ark, i motsetning til alle andre polymerer, som danner endimensjonale, spaghettilignende kjeder. Frem til nå hadde forskere trodd at det var umulig å få polymerer til å danne 2D-ark.
Et slikt materiale kan brukes som et lett og slitesterkt belegg for bildeler eller mobiltelefoner, eller som byggemateriale for broer eller andre konstruksjoner, sier Michael Strano, Carbon P. Dubbs-professor i kjemiteknikk ved MIT og seniorforfatter av den nye studien.
«Vi tenker vanligvis ikke på plast som noe man kan bruke til å støtte en bygning, men med dette materialet kan man muliggjøre nye ting», sier han. «Det har svært uvanlige egenskaper, og det er vi veldig begeistret for.»
Forskerne har søkt om to patenter på prosessen de brukte for å generere materialet, som de beskriver i en artikkel som publiseres i dag i Nature . MIT-postdoktor Yuwen Zeng er hovedforfatter av studien.
To dimensjoner
Polymerer, som inkluderer all plast, består av kjeder av byggesteiner kalt monomerer. Disse kjedene vokser ved å legge til nye molekyler på endene. Når de er dannet, kan polymerer formes til tredimensjonale objekter, for eksempel vannflasker, ved hjelp av sprøytestøping.
Polymerforskere har lenge hatt en hypotese om at hvis polymerer kunne bli påvirket til å vokse til et todimensjonalt ark, ville de danne ekstremt sterke og lette materialer. Mange tiår med arbeid på dette feltet har imidlertid ført til konklusjonen at det var umulig å lage slike ark. En grunn til dette var at hvis bare én monomer roterer opp eller ned, ut av planet til det voksende arket, vil materialet begynne å utvide seg i tre dimensjoner, og den arklignende strukturen vil gå tapt.
I den nye studien kom imidlertid Strano og kollegene hans opp med en ny polymerisasjonsprosess som lar dem generere et todimensjonalt ark kalt polyaramid. For monomerbyggesteinene bruker de en forbindelse kalt melamin, som inneholder en ring av karbon- og nitrogenatomer. Under de rette forholdene kan disse monomerene vokse i to dimensjoner og danne skiver. Disse skivene stables oppå hverandre, holdt sammen av hydrogenbindinger mellom lagene, noe som gjør strukturen svært stabil og sterk.
«I stedet for å lage et spaghettilignende molekyl, kan vi lage et arklignende molekylært plan, der vi får molekyler til å hekte seg sammen i to dimensjoner», sier Strano. «Denne mekanismen skjer spontant i løsning, og etter at vi har syntetisert materialet, kan vi enkelt spin-coate tynne filmer som er ekstraordinært sterke.»
Fordi materialet selvmonteres i løsning, kan det lages i store mengder ved ganske enkelt å øke mengden av utgangsmaterialene. Forskerne viste at de kunne belegge overflater med filmer av materialet, som de kaller 2DPA-1.
«Med dette fremskrittet har vi plane molekyler som blir mye enklere å forme til et veldig sterkt, men ekstremt tynt materiale», sier Strano.
Lett, men sterk
Forskerne fant ut at det nye materialets elastisitetsmodul – et mål på hvor mye kraft det krever for å deformere et materiale – er mellom fire og seks ganger større enn for skuddsikkert glass. De fant også ut at flytegrensen, eller hvor mye kraft det krever for å bryte materialet, er dobbelt så stor som for stål, selv om materialet bare har omtrent en sjettedel av stålets tetthet.
En annen viktig egenskap ved 2DPA-1 er at den er ugjennomtrengelig for gasser. Mens andre polymerer er laget av spiralkjeder med hull som lar gasser sive gjennom, er det nye materialet laget av monomerer som låses sammen som LEGO-klosser, og molekyler kan ikke komme mellom dem.
«Dette kan gjøre det mulig for oss å lage ultratynne belegg som fullstendig kan forhindre at vann eller gasser kommer gjennom», sier Strano. «Denne typen barrierebelegg kan brukes til å beskytte metall i biler og andre kjøretøy, eller stålkonstruksjoner.»
Strano og studentene hans studerer nå mer detaljert hvordan denne spesifikke polymeren er i stand til å danne 2D-ark, og de eksperimenterer med å endre dens molekylære sammensetning for å lage andre typer nye materialer.
Forskningen ble finansiert av Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), et Energy Frontier Research Center sponset av det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor, og Army Research Laboratory.
Nyhetskontakt:
E-post: [e-postbeskyttet]
Tel: + 86-28-8411-1861