Tutkijat ovat luoneet teräksen kaltaisen muovin – vahvan mutta ei raskaan. Muovit, joita kemistit joskus kutsuvat polymeereiksi, ovat pitkäketjuisia molekyylejä, jotka koostuvat lyhyistä toistuvista yksiköistä, joita kutsutaan monomeereiksi. Toisin kuin aiemmat saman lujuuden omaavat polymeerit, uusi materiaali on saatavilla vain kalvomuodossa. Se on myös 50 kertaa ilmatiiviimpi kuin markkinoiden läpäisemättömin muovi. Toinen tämän polymeerin huomionarvoinen piirre on sen synteesin yksinkertaisuus. Huoneenlämmössä tapahtuva prosessi vaatii vain edullisia materiaaleja, ja polymeeriä voidaan massatuottaa suurina, vain nanometrin paksuisina levyinä. Tutkijat raportoivat löydöksistään 2. helmikuuta Nature-lehdessä.
Kyseistä materiaalia kutsutaan polyamidiksi, joka on amidimolekyyliyksiköiden (amidit ovat typpikemiallisia ryhmiä, jotka ovat kiinnittyneet happeen sitoutuneisiin hiiliatomeihin) pujotettu verkosto. Tällaisia polymeerejä ovat Kevlar, luodinkestävän liivin valmistukseen käytetty kuitu, ja Nomex, palonkestävä kangas. Kevlarin tavoin uuden materiaalin polyamidimolekyylit ovat liittyneet toisiinsa vetysidoksilla koko ketjujensa pituudelta, mikä parantaa materiaalin kokonaislujuutta.
”Ne tarttuvat toisiinsa kuin tarranauha”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, MIT:n kemianinsinööri Michael Strano. Materiaalien repiminen vaatii paitsi yksittäisten molekyyliketjujen katkaisemista myös koko polymeerikimpun läpäisevien jättimäisten molekyylien välisten vetysidosten voittamista.
Lisäksi uudet polymeerit voivat automaattisesti muodostaa hiutaleita. Tämä tekee materiaalista helposti käsiteltävän, koska siitä voidaan tehdä ohuita kalvoja tai sitä voidaan käyttää ohutkalvopinnoitteena. Perinteiset polymeerit kasvavat yleensä lineaarisina ketjuina tai haarautuvat ja linkittyvät toistuvasti kolmessa ulottuvuudessa orientaatiosta riippumatta. Mutta Stranon polymeerit kasvavat ainutlaatuisella tavalla kaksiulotteisesti muodostaen nanosuojia.
”Voiko aggregoida paperille? Useimmissa tapauksissa se ei ole mahdollista ennen kuin meidän työmme on valmis”, Strano sanoi. ”Joten löysimme uuden mekanismin.” Tässä tuoreessa työssä hänen tiiminsä voitti esteen, joka mahdollisti tämän kaksiulotteisen aggregoinnin.
Polyaramideilla on tasomainen rakenne, koska polymeerisynteesiin liittyy mekanismi, jota kutsutaan autokatalyyttiseksi mallinnukseksi: kun polymeeri pidentyy ja tarttuu monomeerien rakennuspalikoihin, kasvava polymeeriverkosto saa seuraavat monomeerit yhdistymään vain oikeaan suuntaan vahvistaakseen kaksiulotteisen rakenteen yhdistymistä. Tutkijat osoittivat, että he pystyivät helposti päällystämään polymeeriliuoksessa kiekkojen päälle luodakseen tuuman levyisiä laminaatteja, joiden paksuus on alle 4 nanometriä. Se on lähes miljoonasosa tavallisen toimistopaperin paksuudesta.
Polymeerimateriaalin mekaanisten ominaisuuksien kvantifioimiseksi tutkijat mittasivat voiman, joka tarvitaan reikien tekemiseen riippuvaan materiaalilevyyn ohuella neulalla. Tämä polyamidi on todellakin jäykempää kuin perinteiset polymeerit, kuten nailon, jota käytetään laskuvarjojen valmistukseen. On huomionarvoista, että tämän supervahvan polyamidin irrottamiseen tarvitaan kaksi kertaa enemmän voimaa kuin saman paksuisen teräksen irrottamiseen. Stranon mukaan ainetta voidaan käyttää suojapinnoitteena metallipinnoilla, kuten auton viiluilla, tai suodattimena veden puhdistamiseksi. Jälkimmäisessä toiminnossa ihanteellisen suodatinkalvon on oltava ohut, mutta riittävän vahva kestämään korkeita paineita vuotamatta pieniä, haitallisia epäpuhtauksia lopulliseen vesijohtoon – täydellinen ratkaisu tälle polyamidimateriaalille.
Strano toivoo tulevaisuudessa laajentavansa polymerointimenetelmää erilaisiin polymeereihin tämän Kevlar-analogin lisäksi. ”Polymeerejä on kaikkialla ympärillämme”, hän sanoi. ”Ne tekevät kaiken.” Kuvittele, että monenlaisia polymeerejä, jopa eksoottisia, sähköä tai valoa johtavia polymeerejä, voidaan muuttaa ohuiksi kalvoiksi, jotka voivat peittää erilaisia pintoja, hän lisää. ”Tämän uuden mekanismin ansiosta ehkä voidaan nyt käyttää muitakin polymeerejä”, Stano sanoi.
Muovien ympäröimässä maailmassa yhteiskunnalla on syytä olla innoissaan jälleen yhdestä uudesta polymeeristä, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat kaikkea muuta kuin tavanomaisia, Strano sanoi. Tämä aramidi on erittäin kestävää, mikä tarkoittaa, että voimme korvata arkipäivän muovit maaleista pusseihin ja elintarvikepakkauksiin vähemmillä ja vahvemmilla materiaaleilla. Strano lisäsi, että kestävän kehityksen näkökulmasta tämä supervahva 2D-polymeeri on askel oikeaan suuntaan vapauttaakseen maailman muovista.
Shi En Kim (kuten häntä yleensä kutsutaan Kimiksi) on Malesiassa syntynyt freelance-tiedekirjoittaja ja Popular Science -lehden kevään 2022 toimituksellisen harjoittelija. Hän on kirjoittanut laajasti aiheista, jotka vaihtelevat hämähäkinseittien omituisista käyttötavoista – ihmisissä tai hämähäkeissä itsessään – aina avaruuden roskienkerääjiin.
Boeingin Starliner-luotain ei ole vielä saavuttanut kansainvälistä avaruusasemaa, mutta asiantuntijat ovat optimistisia kolmannen koelennon suhteen.
Olemme osa Amazon Services LLC Associates -ohjelmaa, joka on kumppanuusmainontaohjelma, jonka tarkoituksena on tarjota meille tapa ansaita palkkioita linkittämällä Amazon.comiin ja sen yhteistyökumppanisivustoille. Rekisteröitymällä tai käyttämällä tätä sivustoa hyväksyt palveluehtomme.
Julkaisun aika: 19.5.2022