Massachusetts Institute of Technology
Nova snov je rezultat dosežka, ki je veljal za nemogočega: polimerizacije materiala v dveh dimenzijah.
Kemijski inženirji MIT so z novim postopkom polimerizacije ustvarili nov material, ki je močnejši od jekla in lažji od plastike ter ga je mogoče enostavno izdelati v velikih količinah.
Novi material je dvodimenzionalni polimer, ki se sam sestavlja v plasti, za razliko od vseh drugih polimerov, ki tvorijo enodimenzionalne verige, podobne špagetom. Do zdaj so znanstveniki menili, da je nemogoče pripraviti polimere do tega, da bi tvorili dvodimenzionalne plasti.
Takšen material bi lahko uporabili kot lahek in trpežen premaz za avtomobilske dele ali mobilne telefone ali kot gradbeni material za mostove ali druge strukture, pravi Michael Strano, profesor kemijskega inženirstva Carbon P. Dubbs na MIT in glavni avtor nove študije [1].
»Običajno o plastiki ne razmišljamo kot o materialu, ki bi ga lahko uporabili za podporo stavbe, vendar lahko s tem materialom omogočite nove stvari,« pravi. »Ima zelo nenavadne lastnosti in to nas zelo veseli.«
Raziskovalci so prijavili dva patenta za postopek, ki so ga uporabili za izdelavo materiala, ki ga opisujejo v članku objavljenem v reviji Nature. Vodilni avtor študije je postdoktorand MIT Yuwen Zeng.
Dve dimenziji
Polimeri, med katere spadajo vse plastične mase, so sestavljeni iz verig gradnikov, imenovanih monomeri. Te verige rastejo z dodajanjem novih molekul na svoje konce. Ko nastanejo polimeri, jih je mogoče z brizganjem oblikovati v tridimenzionalne predmete, kot so plastenke za vodo.
Znanstveniki s področja polimerov že dolgo domnevajo, da bi lahko polimeri, če bi jih spodbudili k rasti v dvodimenzionalnoplast, tvorili izjemno močne in lahke materiale. Vendar je več desetletij dela na tem področju pripeljalo do zaključka, da takšnih plasti ni mogoče ustvariti. Eden od razlogov za to je bil, da če se samo en monomer zavrti navzgor ali navzdol, zunaj ravnine rastoče plasti, se bo material začel širiti v treh dimenzijah in struktura, podobna plasti, bi se izgubila.
V novi študiji pa so Strano in njegovi sodelavci prišli do novega postopka polimerizacije, ki jim omogoča ustvarjanje dvodimenzionalne plasti, imenovanega poliaromid.
Za gradnike monomerov so uporabili spojino, imenovano melamin, ki vsebuje obroč ogljikovih in dušikovih atomov. Pod ustreznimi pogoji lahko ti monomeri rastejo v dveh dimenzijah in tvorijo diske. Ti diski se nalagajo drug na drugega, skupaj pa jih držijo vodikove vezi med plastmi, zaradi katerih je struktura zelo stabilna in močna.
»Namesto molekul, podobnih špagetom, lahko naredimo molekularno ravnino, podobno listu, kjer se molekule med seboj povežejo v dveh dimenzijah,« pravi Strano. »Ta mehanizem se zgodi spontano v raztopini, in ko material sintetiziramo, lahko zlahka nanesemo tanke filme, ki so izredno močni.«
Ker se material sam sestavi v raztopini, ga je mogoče izdelati v velikih količinah s preprostim povečanjem količine začetnih materialov. Raziskovalci so dokazali, da lahko površine premažejo s plastmi materiala, ki so ga poimenovali 2DPA-1.
»S tem napredkom imamo ravninske molekule, ki jih bo veliko lažje oblikovati v zelo močan, a izjemno tanek material,« pravi Strano.
Lahek, vendar močan
Raziskovalci so ugotovili, da je elastični modul novega materiala – merilo, koliko sile je potrebne za deformacijo materiala – od štiri- do šestkrat večji od elastičnega modula neprebojnega stekla. Ugotovili so tudi, da je njegova meja plastičnosti, tj. koliko sile je potrebno, da se material zlomi, dvakrat večja od jekla, čeprav ima material le približno šestino gostote jekla.
Matthew Tirrell, dekan Pritzkerjeve šole za molekularno inženirstvo na Univerzi v Chicagu, pravi, da nova tehnika »uteleša zelo ustvarjalno kemijo za izdelavo teh vezanih 2D polimerov«
»Pomemben vidik teh novih polimerov je, da jih je mogoče zlahka obdelati v raztopini, kar bo olajšalo številne nove aplikacije, pri katerih je pomembno visoko razmerje med trdnostjo in maso, kot so novi kompozitni materiali ali difuzijske bariere,« pravi Tirrell, ki ni sodeloval v študiji.
Neprepusten za pline in tekočine
Druga ključna lastnost 2DPA-1 je, da je neprepusten za pline. Medtem ko so drugi polimeri narejeni iz navitih verig z vrzelmi, skozi katere lahko prehajajo plini, je novi material narejen iz monomerov, ki so med seboj povezani kot LEGO kocke, zato molekule ne morejo priti mednje.
»To bi nam lahko omogočilo izdelavo ultratankih premazov, ki bi popolnoma preprečili prodiranje vode ali plinov,« pravi Strano. »Tovrstne pregradne premaze bi lahko uporabili za zaščito kovine v avtomobilih in drugih vozilih ali jeklenih konstrukcijah.«
Strano in njegovi študenti zdaj podrobneje preučujejo, kako lahko ta polimer tvori 2D-plošče, in eksperimentirajo s spreminjanjem njegove molekularne sestave, da bi ustvarili druge vrste novih materialov.
Raziskavo sta financirala Center za izboljšani nanofluidni transport (CENT), raziskovalni center za energetske meje, ki ga sponzorirata Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo, in vojaški raziskovalni laboratorij.
Viri:
1: https://go.nature.com/42KhGEA
Povzeto po:
https://bit.ly/3JOx4qx
