Forskere har skabt plastik svarende til stål - stærkt, men ikke tungt. Plast, som kemikere undertiden kalder polymerer, er en klasse af langkædede molekyler, der er opbygget af korte gentagne enheder kaldet monomerer. I modsætning til tidligere polymerer med samme styrke kommer det nye materiale kun i membranform. Det er også 50 gange mere lufttæt end den mest uigennemtrængelige plastik på markedet. Et andet bemærkelsesværdigt aspekt ved denne polymer er dens enkle syntese. Processen, der finder sted ved stuetemperatur, kræver kun billige materialer, og polymeren kan masseproduceres i store ark, der kun er nanometer tykke. Forskerne rapporterer deres resultater den 2. februar i tidsskriftet Nature.
Det pågældende materiale kaldes polyamid, et gevindskåret netværk af amidmolekylære enheder (amider er nitrogenkemiske grupper bundet til iltbundne kulstofatomer). Sådanne polymerer omfatter Kevlar, en fiber, der bruges til at fremstille skudsikre veste, og Nomex, et brandhæmmende stof. Ligesom Kevlar er polyamidmolekylerne i det nye materiale forbundet med hinanden via hydrogenbindinger langs hele deres kæders længde, hvilket forbedrer materialets samlede styrke.
"De klæber sammen som velcro," sagde hovedforfatter Michael Strano, en kemiingeniør på MIT. At rive materialer i stykker kræver ikke kun at bryde individuelle molekylkæder, men også at overvinde de gigantiske intermolekylære hydrogenbindinger, der gennemsyrer hele polymerbundtet.
Derudover kan de nye polymerer automatisk danne flager. Dette gør materialet nemt at bearbejde, da det kan laves til tynde film eller bruges som en tyndfilmsoverfladebelægning. Traditionelle polymerer har en tendens til at vokse som lineære kæder eller gentagne gange forgrene sig og forbindes i tre dimensioner, uanset orientering. Men Stranos polymerer vokser på en unik måde i 2D for at danne nanosheets.
"Kan man aggregere på et stykke papir? Det viser sig, at man i de fleste tilfælde ikke kan gøre det, før vores arbejde er færdigt," sagde Strano. "Så vi fandt en ny mekanisme." I dette nylige arbejde overvandt hans team en forhindring for at gøre denne todimensionelle aggregering mulig.
Grunden til, at polyaramider har en plan struktur, er, at polymersyntese involverer en mekanisme kaldet autokatalytisk skabelondannelse: Når polymeren forlænges og klæber til monomerbyggestenene, inducerer det voksende polymernetværk efterfølgende monomerer til kun at kombinere i den rigtige retning for at styrke foreningen af den todimensionelle struktur. Forskerne demonstrerede, at de nemt kunne belægge polymeren i opløsning på wafere for at skabe tommebrede laminater med en tykkelse på mindre end 4 nanometer. Det er næsten en milliontedel af tykkelsen af almindeligt kontorpapir.
For at kvantificere polymermaterialets mekaniske egenskaber målte forskerne den kraft, der kræves for at lave huller i et ophængt materialeark med en fin nål. Denne polyamid er faktisk stivere end traditionelle polymerer som nylon, det stof, der bruges til at lave faldskærme. Bemærkelsesværdigt nok kræver det dobbelt så meget kraft at skrue denne superstærke polyamid af som stål af samme tykkelse. Ifølge Strano kan stoffet bruges som en beskyttende belægning på metaloverflader, såsom bilfiner, eller som et filter til at rense vand. I sidstnævnte funktion skal den ideelle filtermembran være tynd, men stærk nok til at modstå høje tryk uden at lække små, generende forurenende stoffer ind i vores endelige forsyning – et perfekt match til dette polyamidmateriale.
I fremtiden håber Strano at udvide polymerisationsmetoden til andre polymerer ud over denne Kevlar-analog. "Polymerer er overalt omkring os," sagde han. "De gør alt." Forestil dig at forvandle mange forskellige slags polymerer, selv eksotiske, der kan lede elektricitet eller lys, til tynde film, der kan dække en række forskellige overflader, tilføjer han. "På grund af denne nye mekanisme kan andre slags polymerer nu måske bruges," sagde Stano.
I en verden omgivet af plastik har samfundet grund til at være begejstret for endnu en ny polymer, hvis mekaniske egenskaber er alt andet end ordinære, sagde Strano. Denne aramid er ekstremt holdbar, hvilket betyder, at vi kan erstatte almindelig plastik, fra maling til poser til fødevareemballage, med færre og stærkere materialer. Strano tilføjede, at fra et bæredygtighedssynspunkt er denne superstærke 2D-polymer et skridt i den rigtige retning for at befri verden fra plastik.
Shi En Kim (som hun normalt kaldes Kim) er en malaysiskfødt freelance videnskabsskribent og redaktionspraktikant i Popular Science Spring 2022. Hun har skrevet udførligt om emner, der spænder fra de finurlige anvendelser af spindelvæv - mennesker eller edderkopperne selv - til skraldesamlere i det ydre rum.
Boeings Starliner-rumfartøj har endnu ikke nået Den Internationale Rumstation, men eksperter er optimistiske med hensyn til en tredje testflyvning.
Vi deltager i Amazon Services LLC Associates Program, et affiliate-annonceringsprogram, der er designet til at give os mulighed for at tjene gebyrer ved at linke til Amazon.com og tilknyttede websteder. Registrering eller brug af dette websted udgør accept af vores servicevilkår.
Udsendelsestidspunkt: 19. maj 2022