Forskare har skapat plast som motsvarar stål — stark men inte tung. Plast, som kemister ibland kallar polymerer, är en klass av långkedjiga molekyler som består av korta repeterande enheter som kallas monomerer. Till skillnad från tidigare polymerer med samma styrka, är det nya materialet endast kommer i membranform. Den är också 50 gånger mer lufttät än den mest ogenomträngliga plasten på marknaden. En annan anmärkningsvärd aspekt av denna polymer är dess enkelhet syntes. Processen, som sker vid rumstemperatur, kräver endast billiga material, och polymeren kan masstillverkas i stora ark som bara är nanometer tjocka. Forskarna rapporterar sina fynd 2 februari i tidskriften Nature.
Materialet i fråga kallas en polyamid, ett gängat nätverk av amidmolekylära enheter (amider är kvävekemiska grupper bundna till syrebundna kolatomer). Sådana polymerer inkluderar Kevlar, en fiber som används för att göra skottsäkra västar, och Nomex, en brand- resistent tyg. Precis som Kevlar är polyamidmolekylerna i det nya materialet kopplade till varandra genom vätebindningar längs hela längden av sina kedjor, vilket förbättrar materialets totala styrka.
"De håller ihop som kardborreband", säger huvudförfattaren Michael Strano, en kemiingenjör vid MIT. Att riva material kräver inte bara att enskilda molekylkedjor bryts, utan också att man övervinner de enorma intermolekylära vätebindningarna som genomsyrar hela polymerbunten.
Dessutom kan de nya polymererna automatiskt bilda flingor. Detta gör materialet lätt att bearbeta, eftersom det kan göras till tunna filmer eller användas som en tunnfilms ytbeläggning. Traditionella polymerer tenderar att växa som linjära kedjor eller upprepade gånger förgrena sig och länk i tre dimensioner, oavsett orientering. Men Stranos polymerer växer på ett unikt sätt i 2D för att bilda nanoark.
"Kan du samla på ett papper? Det visar sig att du i de flesta fall inte kan göra det förrän vårt arbete,” sa Strano. ”Så vi hittade en ny mekanism.” I detta senaste arbete övervann hans team ett hinder för att göra denna tvådimensionella aggregering möjlig.
Anledningen till att polyaramider har en plan struktur är att polymersyntes involverar en mekanism som kallas autokatalytisk schablon: när polymeren förlängs och fastnar på monomerbyggstenarna, inducerar det växande polymernätverket efterföljande monomerer att bara kombineras i rätt riktning för att stärka föreningen av tvådimensionell struktur. Forskarna visade att de lätt kunde belägga polymeren i lösning på wafers för att skapa tum breda laminat mindre än 4 nanometer tjockt. Det är nästan en miljondel av tjockleken på vanligt kontorspapper.
För att kvantifiera polymermaterialets mekaniska egenskaper mätte forskarna kraften som krävdes för att sticka hål i ett upphängt materialark med en fin nål. Denna polyamid är verkligen styvare än traditionella polymerer som nylon, tyget som används för att göra fallskärmar. Anmärkningsvärt, det krävs dubbelt så mycket kraft för att skruva loss denna superstarka polyamid som stål av samma tjocklek. Enligt Strano kan ämnet användas som en skyddande beläggning på metallytor, som bilfaner, eller som ett filter för att rena vatten. I den senare funktionen måste det ideala filtermembranet vara tunt men tillräckligt starkt för att tåla höga tryck utan att läcka ut små, störande föroreningar till vår slutliga leverans – en perfekt passform för detta polyamidmaterial.
I framtiden hoppas Strano kunna utöka polymerisationsmetoden till olika polymerer utöver denna Kevlar-analog." Polymerer finns runt omkring oss", sa han. "De gör allt." Föreställ dig att förvandla många olika typer av polymerer, även exotiska som kan leda elektricitet eller ljus, till tunna filmer som kan täcka en mängd olika ytor, tillägger han."På grund av denna nya mekanism kan kanske andra typer av polymerer nu användas." sa Stano.
I en värld omgiven av plast har samhället anledning att vara upphetsad över ännu en ny polymer vars mekaniska egenskaper är allt annat än vanliga, sa Strano. Denna aramid är extremt hållbar, vilket innebär att vi kan ersätta vardagsplast, från färger till påsar till livsmedelsförpackningar, med färre och starkare material.Strano tillade att ur hållbarhetssynpunkt är denna superstarka 2D-polymer ett steg i rätt riktning för att befria världen från plast.
Shi En Kim (som hon vanligtvis kallas Kim) är en malaysisk-född frilansande vetenskapsskribent och populärvetenskaplig redaktionell praktikant våren 2022. Hon har skrivit mycket om ämnen som sträcker sig från den udda användningen av spindelväv – människor eller spindlarna själva – till sophämtare i yttre rymden.
Boeings rymdfarkost Starliner har ännu inte nått den internationella rymdstationen, men experter är optimistiska om en tredje testflygning.
Vi är deltagare i Amazon Services LLC Associates-programmet, ett affiliate-annonseringsprogram som är utformat för att tillhandahålla ett sätt för oss att tjäna avgifter genom att länka till Amazon.com och anslutna webbplatser. Registrering eller användning av denna webbplats innebär att vi accepterar våra användarvillkor.
Posttid: 19 maj 2022