Οι επιστήμονες δημιούργησαν πλαστικό ισοδύναμο με τον χάλυβα — ανθεκτικό αλλά όχι βαρύ. Τα πλαστικά, τα οποία οι χημικοί μερικές φορές αποκαλούν πολυμερή, είναι μια κατηγορία μορίων μακράς αλυσίδας που αποτελούνται από μικρές επαναλαμβανόμενες μονάδες που ονομάζονται μονομερή. Σε αντίθεση με προηγούμενα πολυμερή της ίδιας αντοχής, το νέο υλικό διατίθεται μόνο σε μορφή μεμβράνης. Είναι επίσης 50 φορές πιο αεροστεγές από το πιο αδιαπέραστο πλαστικό στην αγορά. Μια άλλη αξιοσημείωτη πτυχή αυτού του πολυμερούς είναι η απλότητα της σύνθεσής του. Η διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου, απαιτεί μόνο φθηνά υλικά και το πολυμερές μπορεί να παραχθεί μαζικά σε μεγάλα φύλλα πάχους μόνο νανόμετρων. Οι ερευνητές αναφέρουν τα ευρήματά τους στις 2 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature.
Το εν λόγω υλικό ονομάζεται πολυαμίδιο, ένα σπειροειδές δίκτυο μοριακών μονάδων αμιδίου (τα αμίδια είναι χημικές ομάδες αζώτου που συνδέονται με άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με οξυγόνο). Τέτοια πολυμερή περιλαμβάνουν το Kevlar, μια ίνα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή αλεξίσφαιρων γιλέκων, και το Nomex, ένα πυρίμαχο ύφασμα. Όπως και το Kevlar, τα μόρια πολυαμιδίου στο νέο υλικό συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου σε όλο το μήκος των αλυσίδων τους, γεγονός που ενισχύει τη συνολική αντοχή του υλικού.
«Κολλάνε μεταξύ τους σαν βέλκρο», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Μάικλ Στράνο, χημικός μηχανικός του MIT. Η διάσπαση των υλικών απαιτεί όχι μόνο τη διάσπαση μεμονωμένων μοριακών αλυσίδων, αλλά και την υπερνίκηση των γιγάντιων διαμοριακών δεσμών υδρογόνου που διαπερνούν ολόκληρη τη δέσμη πολυμερών.
Επιπλέον, τα νέα πολυμερή μπορούν να σχηματίσουν αυτόματα νιφάδες. Αυτό καθιστά το υλικό εύκολο στην επεξεργασία, καθώς μπορεί να μετατραπεί σε λεπτές μεμβράνες ή να χρησιμοποιηθεί ως επιφανειακή επίστρωση λεπτής μεμβράνης. Τα παραδοσιακά πολυμερή τείνουν να αναπτύσσονται ως γραμμικές αλυσίδες ή να διακλαδίζονται και να συνδέονται επανειλημμένα σε τρεις διαστάσεις, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό. Αλλά τα πολυμερή του Strano αναπτύσσονται με έναν μοναδικό τρόπο σε 2D για να σχηματίσουν νανοφύλλα.
«Μπορείτε να συγκεντρώσετε σε ένα κομμάτι χαρτί; Αποδεικνύεται ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν μπορείτε να το κάνετε μέχρι να ολοκληρωθεί η δουλειά μας», είπε ο Στράνο. «Έτσι, βρήκαμε έναν νέο μηχανισμό». Σε αυτή την πρόσφατη εργασία, η ομάδα του ξεπέρασε ένα εμπόδιο για να καταστήσει δυνατή αυτή τη δισδιάστατη συγκέντρωση.
Ο λόγος που τα πολυαραμίδια έχουν επίπεδη δομή είναι ότι η σύνθεση πολυμερών περιλαμβάνει έναν μηχανισμό που ονομάζεται αυτοκαταλυτική δημιουργία προτύπων: καθώς το πολυμερές επιμηκύνεται και προσκολλάται στα δομικά στοιχεία του μονομερούς, το αναπτυσσόμενο δίκτυο πολυμερών προκαλεί τα επόμενα μονομερή να συνδυαστούν μόνο προς τη σωστή κατεύθυνση για να ενισχύσουν την ένωση της δισδιάστατης δομής. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι μπορούσαν εύκολα να επικαλύψουν το πολυμερές σε διάλυμα σε πλακίδια για να δημιουργήσουν ελασματοποιημένα φύλλα πλάτους μίας ίντσας με πάχος μικρότερο από 4 νανόμετρα. Αυτό είναι σχεδόν το ένα εκατομμυριοστό του πάχους του κανονικού χαρτιού γραφείου.
Για να ποσοτικοποιήσουν τις μηχανικές ιδιότητες του πολυμερούς υλικού, οι ερευνητές μέτρησαν τη δύναμη που απαιτείται για να ανοίξουν τρύπες σε ένα αιωρούμενο φύλλο υλικού με μια λεπτή βελόνα. Αυτό το πολυαμίδιο είναι πράγματι πιο άκαμπτο από τα παραδοσιακά πολυμερή όπως το νάιλον, το ύφασμα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή αλεξίπτωτων. Αξιοσημείωτο είναι ότι χρειάζεται διπλάσια δύναμη για να ξεβιδωθεί αυτό το εξαιρετικά ισχυρό πολυαμίδιο από τον χάλυβα του ίδιου πάχους. Σύμφωνα με τον Strano, η ουσία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προστατευτική επίστρωση σε μεταλλικές επιφάνειες, όπως οι επενδύσεις αυτοκινήτων, ή ως φίλτρο για τον καθαρισμό του νερού. Στην τελευταία λειτουργία, η ιδανική μεμβράνη φίλτρου πρέπει να είναι λεπτή αλλά αρκετά ισχυρή ώστε να αντέχει σε υψηλές πιέσεις χωρίς να διαρρέει μικρούς, ενοχλητικούς ρύπους στην τελική μας παροχή - μια τέλεια εφαρμογή για αυτό το υλικό πολυαμιδίου.
Στο μέλλον, ο Strano ελπίζει να επεκτείνει τη μέθοδο πολυμερισμού σε διαφορετικά πολυμερή πέρα από αυτό το ανάλογο Kevlar. «Τα πολυμερή είναι παντού γύρω μας», είπε. «Κάνουν τα πάντα». Φανταστείτε να μετατρέψετε πολλά διαφορετικά είδη πολυμερών, ακόμη και εξωτικά που μπορούν να άγουν ηλεκτρισμό ή φως, σε λεπτές μεμβράνες που μπορούν να καλύψουν μια ποικιλία επιφανειών, προσθέτει. «Λόγω αυτού του νέου μηχανισμού, ίσως μπορούν τώρα να χρησιμοποιηθούν και άλλα είδη πολυμερών», είπε ο Stano.
Σε έναν κόσμο που περιβάλλεται από πλαστικά, η κοινωνία έχει λόγους να είναι ενθουσιασμένη για ένα ακόμη νέο πολυμερές του οποίου οι μηχανικές ιδιότητες είναι κάθε άλλο παρά συνηθισμένες, είπε ο Στράνο. Αυτό το αραμίδιο είναι εξαιρετικά ανθεκτικό, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να αντικαταστήσουμε τα καθημερινά πλαστικά, από χρώματα μέχρι σακούλες και συσκευασίες τροφίμων, με λιγότερα και ισχυρότερα υλικά. Ο Στράνο πρόσθεσε ότι από άποψη βιωσιμότητας, αυτό το εξαιρετικά ισχυρό 2D πολυμερές είναι ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση για να απελευθερώσουμε τον κόσμο από το πλαστικό.
Η Shi En Kim (όπως συνήθως την αποκαλούν Kim) είναι ανεξάρτητη συγγραφέας επιστημών, γεννημένη στη Μαλαισία, και ασκούμενη συντάκτρια στο Popular Science Spring 2022. Έχει γράψει εκτενώς για θέματα που κυμαίνονται από τις ιδιόρρυθμες χρήσεις των ιστών αράχνης - ανθρώπων ή των ίδιων των αράχνων - έως τους συλλέκτες σκουπιδιών στο διάστημα.
Το διαστημόπλοιο Starliner της Boeing δεν έχει φτάσει ακόμη στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, αλλά οι ειδικοί είναι αισιόδοξοι για μια τρίτη δοκιμαστική πτήση.
Συμμετέχουμε στο Πρόγραμμα Συνεργατών της Amazon Services LLC, ένα πρόγραμμα διαφήμισης συνεργατών που έχει σχεδιαστεί για να μας παρέχει έναν τρόπο να κερδίζουμε αμοιβές μέσω συνδέσμων προς το Amazon.com και συνεργαζόμενους ιστότοπους. Η εγγραφή ή η χρήση αυτού του ιστότοπου συνιστά αποδοχή των Όρων Παροχής Υπηρεσιών μας.
Ώρα δημοσίευσης: 19 Μαΐου 2022