Nový materiál je dvojrozmerný polymér vyrobený z melamínu , ktorý sa sám skladá do vrstiev, na rozdiel od všetkých ostatných polymérov, ktoré tvoria jednorozmerné reťazce podobné špagetám. Vedci sa doteraz domnievali, že je nemožné prinútiť polyméry, aby vytvorili dvojrozmerné vrstvy.
Takýto materiál by sa mohol použiť ako ľahký a odolný náter na automobilové súčiastky alebo mobilné telefóny, alebo ako stavebný materiál na mosty či iné konštrukcie, hovorí Michael Strano, profesor chemického inžinierstva na MIT a hlavný autor novej štúdie.
„Plasty zvyčajne nepovažujeme za niečo, čo by sa dalo použiť na podopretie budovy, ale s týmto materiálom môžete umožniť nové veci,“ hovorí. „Má veľmi nezvyčajné vlastnosti a z toho sme veľmi nadšení.“
Výskumníci podali dve patentové prihlášky na proces, ktorý použili na výrobu materiálu, ktorý opisujú v článku publikovanom dnes v časopise Nature . Hlavným autorom štúdie je postdoktorand MIT Yuwen Zeng.
Dva rozmery
Polyméry, medzi ktoré patria všetky plasty, pozostávajú z reťazcov stavebných blokov nazývaných monoméry. Tieto reťazce rastú pridávaním nových molekúl na svoje konce. Po vytvorení je možné polyméry tvarovať do trojrozmerných objektov, ako sú napríklad fľaše na vodu, pomocou vstrekovania plastov.
Vedci zaoberajúci sa polymérmi už dlho predpokladajú, že ak by sa polyméry dali vyvinúť do dvojrozmernej vrstvy, mali by tvoriť extrémne pevné a ľahké materiály. Mnohé desaťročia výskumu v tejto oblasti však viedli k záveru, že takéto vrstvy nie je možné vytvoriť. Jedným z dôvodov bolo, že ak by sa len jeden monomér otočil nahor alebo nadol mimo roviny rastúcej vrstvy, materiál by sa začal rozpínať v troch rozmeroch a štruktúra podobná vrstve by sa stratila.
V novej štúdii však Strano a jeho kolegovia prišli s novým polymerizačným procesom, ktorý im umožňuje vytvoriť dvojrozmernú vrstvu nazývanú polyaramid. Ako stavebné bloky monomérov používajú zlúčeninu nazývanú melamín, ktorá obsahuje kruh atómov uhlíka a dusíka. Za správnych podmienok môžu tieto monoméry rásť v dvoch rozmeroch a vytvárať disky. Tieto disky sa na seba ukladajú a držia pohromade vodíkovými väzbami medzi vrstvami, vďaka čomu je štruktúra veľmi stabilná a pevná.
„Namiesto výroby molekuly podobnej špagetám môžeme vytvoriť molekulárnu rovinu podobnú listu, kde sa molekuly spoja v dvoch rozmeroch,“ hovorí Strano. „Tento mechanizmus prebieha spontánne v roztoku a po syntéze materiálu môžeme ľahko nanášať tenké filmy odstreďovaním, ktoré sú mimoriadne pevné.“
Keďže sa materiál v roztoku sám skladá, je možné ho vyrobiť vo veľkých množstvách jednoduchým zvýšením množstva východiskových materiálov. Výskumníci ukázali, že dokážu pokryť povrchy filmami materiálu, ktorý nazývajú 2DPA-1.
„Vďaka tomuto pokroku máme planárne molekuly, ktoré sa oveľa ľahšie premenia na veľmi silný, ale extrémne tenký materiál,“ hovorí Strano.
Ľahký, ale silný
Výskumníci zistili, že modul pružnosti nového materiálu – miera sily potrebnej na deformáciu materiálu – je štyri až šesťkrát väčší ako u nepriestrelného skla. Zistili tiež, že jeho medza klzu, čiže sila potrebná na prelomenie materiálu, je dvojnásobná v porovnaní s oceľou, hoci materiál má len približne šestinovú hustotu ocele.
Ďalšou kľúčovou vlastnosťou 2DPA-1 je, že je nepriepustný pre plyny. Zatiaľ čo iné polyméry sú vyrobené zo špirálových reťazcov s medzerami, ktoré umožňujú prenikanie plynov, nový materiál je vyrobený z monomérov, ktoré sa navzájom spájajú ako LEGO a molekuly sa medzi ne nemôžu dostať.
„Toto by nám mohlo umožniť vytvoriť ultratenké nátery, ktoré dokážu úplne zabrániť prenikaniu vody alebo plynov,“ hovorí Strano. „Tento druh bariérového náteru by sa mohol použiť na ochranu kovu v autách a iných vozidlách alebo oceľových konštrukcií.“
Strano a jeho študenti teraz podrobnejšie študujú, ako je tento konkrétny polymér schopný tvoriť 2D vrstvy a experimentujú so zmenou jeho molekulárneho zloženia s cieľom vytvoriť ďalšie typy nových materiálov.
Výskum financovalo Centrum pre vylepšený nanofluidný transport (CENT), výskumné centrum na hraniciach energetiky, ktoré sponzoruje Úrad pre vedu Ministerstva energetiky USA a Výskumné laboratórium armády.
Novinky Kontakt:
Email [chránené e-mailom]
Tel: +86-28-8411-1861