Novi material je dvodimenzionalni polimer, izdelan iz melamina , ki se sam sestavlja v plošče, za razliko od vseh drugih polimerov, ki tvorijo enodimenzionalne, špagetom podobne verige. Do sedaj so znanstveniki verjeli, da je nemogoče spodbuditi polimere k tvorbi dvodimenzionalnih plošč.
Takšen material bi se lahko uporabil kot lahek, trpežen premaz za avtomobilske dele ali mobilne telefone ali kot gradbeni material za mostove ali druge konstrukcije, pravi Michael Strano, profesor kemijskega inženirstva na MIT-u in višji avtor nove študije.
»Plastike običajno ne dojemamo kot nekaj, kar bi lahko uporabili za podporo stavbe, toda s tem materialom lahko omogočimo nove stvari,« pravi. »Ima zelo nenavadne lastnosti in nad tem smo zelo navdušeni.«
Raziskovalci so vložili dve patentni prijavi za postopek, ki so ga uporabili za pridobivanje materiala, ki ga opisujejo v članku, objavljenem danes v reviji Nature . Vodilni avtor študije je podoktorski raziskovalec MIT Yuwen Zeng.
Dve dimenziji
Polimeri, kamor spadajo vse plastike, so sestavljeni iz verig gradnikov, imenovanih monomeri. Te verige rastejo z dodajanjem novih molekul na svoje konce. Ko so polimeri oblikovani, jih je mogoče z brizganjem oblikovati v tridimenzionalne predmete, kot so steklenice za vodo.
Znanstveniki, ki se ukvarjajo s polimeri, že dolgo postavljajo hipotezo, da bi morali polimeri, če bi lahko zrasli v dvodimenzionalno ploščo, tvoriti izjemno močne in lahke materiale. Vendar pa so desetletja dela na tem področju privedla do zaključka, da takšnih plošč ni mogoče ustvariti. Eden od razlogov za to je bil, da če se samo en monomer zavrti navzgor ali navzdol iz ravnine rastoče plošče, se material začne širiti v treh dimenzijah in ploščata struktura se izgubi.
Vendar pa so Strano in njegovi kolegi v novi študiji odkrili nov postopek polimerizacije, ki jim omogoča ustvarjanje dvodimenzionalne plošče, imenovane poliaramid. Za gradnike monomerov uporabljajo spojino, imenovano melamin, ki vsebuje obroč atomov ogljika in dušika. Pod pravimi pogoji lahko ti monomeri rastejo v dveh dimenzijah in tvorijo diske. Ti diski se zlagajo drug na drugega, skupaj pa jih držijo vodikove vezi med plastmi, zaradi česar je struktura zelo stabilna in močna.
»Namesto da bi izdelali molekulo, podobno špagetu, lahko izdelamo molekularno ravnino, podobno listu, kjer se molekule povežejo v dveh dimenzijah,« pravi Strano. »Ta mehanizem se v raztopini odvija spontano, in ko sintetiziramo material, lahko z vrtenjem nanesemo tanke filme, ki so izjemno močni.«
Ker se material v raztopini samostojno sestavlja, ga je mogoče izdelati v velikih količinah s preprostim povečanjem količine začetnih materialov. Raziskovalci so pokazali, da lahko površine prekrijejo s filmi materiala, ki ga imenujejo 2DPA-1.
»S tem napredkom imamo planarne molekule, ki jih bo veliko lažje oblikovati v zelo močan, a izjemno tanek material,« pravi Strano.
Lahka, a močna
Raziskovalci so ugotovili, da je elastični modul novega materiala – merilo sile, potrebne za deformacijo materiala – štiri- do šestkrat večji od modula neprebojnega stekla. Ugotovili so tudi, da je njegova meja tečenja oziroma sila, potrebna za lomljenje materiala, dvakrat večja od jekla, čeprav ima material le približno šestino gostote jekla.
Druga ključna značilnost 2DPA-1 je, da je neprepusten za pline. Medtem ko so drugi polimeri narejeni iz spiralnih verig z režami, ki omogočajo prehajanje plinov, je novi material narejen iz monomerov, ki se povezujejo kot LEGO kocke, molekule pa ne morejo priti mednje.
»To bi nam lahko omogočilo ustvarjanje ultra tankih premazov, ki bi lahko popolnoma preprečili prehajanje vode ali plinov,« pravi Strano. »Tovrstni zaščitni premaz bi se lahko uporabljal za zaščito kovin v avtomobilih in drugih vozilih ali jeklenih konstrukcij.«
Strano in njegovi študenti zdaj podrobneje preučujejo, kako ta polimer lahko tvori dvodimenzionalne plošče, in eksperimentirajo s spreminjanjem njegove molekularne sestave, da bi ustvarili druge vrste novih materialov.
Raziskavo je financiral Center za izboljšan nanofluidni transport (CENT), raziskovalni center na mejah energije, ki ga sponzorirata Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo in raziskovalni laboratorij vojske.
Kontakt za novice:
e-naslov: [e-pošta zaščitena]
Tel: + 86-28-8411-1861