A tudósok acélnak megfelelő műanyagot hoztak létre – erős, de nem nehéz. A műanyagok, amelyeket a vegyészek néha polimereknek neveznek, hosszú szénláncú molekulák, amelyek rövid, ismétlődő egységekből, úgynevezett monomerekből állnak. A korábbi, azonos szilárdságú polimerekkel ellentétben az új anyag csak membrán formában kapható. Emellett 50-szer légmentesebb, mint a piacon kapható legvízzáróbb műanyag. Ennek a polimernek egy másik figyelemre méltó aspektusa a szintézis egyszerűsége. A szobahőmérsékleten zajló folyamathoz csak olcsó anyagokra van szükség, és a polimer tömegesen előállítható nagy, mindössze nanométer vastag lemezekben. A kutatók február 2-án teszik közzé eredményeiket a Nature folyóiratban.
A szóban forgó anyagot poliamidnak nevezik, amely amid molekuláris egységek menetes hálózata (az amidok nitrogéntartalmú kémiai csoportok, amelyek oxigénkötésű szénatomokhoz kapcsolódnak). Ilyen polimerek például a Kevlar, egy golyóálló mellények készítéséhez használt szál, és a Nomex, egy tűzálló szövet. A Kevlarhoz hasonlóan az új anyagban található poliamid molekulák hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz láncaik teljes hosszában, ami növeli az anyag általános szilárdságát.
„Úgy tapadnak össze, mint a tépőzár” – mondta Michael Strano, a tanulmány vezető szerzője, az MIT vegyészmérnöke. Az anyagok tépéséhez nemcsak az egyes molekuláris láncok megszakítása szükséges, hanem az egész polimerköteget átható óriási intermolekuláris hidrogénkötések leküzdése is.
Ezenkívül az új polimerek automatikusan képesek pelyheket képezni. Ezáltal az anyag könnyen feldolgozható, mivel vékony filmekké alakítható, vagy vékonyrétegű felületbevonatként használható. A hagyományos polimerek általában lineáris láncokként nőnek, vagy ismételten elágaznak és összekapcsolódnak három dimenzióban, az orientációtól függetlenül. A Strano polimerjei azonban egyedülálló módon nőnek 2D-ben, nanoszálakat képezve.
„Lehet aggregálni egy papírlapon? Kiderült, hogy a legtöbb esetben ez nem lehetséges, amíg a mi munkánk be nem fejeződik” – mondta Strano. „Tehát találtunk egy új mechanizmust.” Ebben a legújabb munkában csapata leküzdött egy akadályt, hogy lehetővé tegye ezt a kétdimenziós aggregációt.
A poliaramidok síkszerkezetének oka az, hogy a polimerszintézis egy autokatalitikus sablonképzésnek nevezett mechanizmust foglal magában: ahogy a polimer megnyúlik és hozzátapad a monomer építőelemeihez, a növekvő polimer hálózat arra készteti a következő monomereket, hogy csak a megfelelő irányban egyesüljenek, megerősítve a kétdimenziós szerkezet egyesülését. A kutatók bebizonyították, hogy könnyen bevonhatják az oldatban lévő polimert ostyákra, így hüvelyk széles, kevesebb mint 4 nanométer vastagságú laminátumokat hozhatnak létre. Ez majdnem egymilliomod része a hagyományos irodai papír vastagságának.
A polimer anyag mechanikai tulajdonságainak számszerűsítéséhez a kutatók megmérték azt az erőt, amely ahhoz szükséges, hogy egy finom tűvel lyukakat szúrjanak egy felfüggesztett anyaglapba. Ez a poliamid valóban merevebb, mint a hagyományos polimerek, például a nejlon, az ejtőernyők készítéséhez használt anyag. Figyelemre méltó, hogy kétszer annyi erő kell ennek a szupererős poliamidnak a kicsavarásához, mint az azonos vastagságú acélnak. Strano szerint az anyag védőbevonatként használható fémfelületeken, például autófurnérokon, vagy szűrőként a víz tisztítására. Ez utóbbi funkcióban az ideális szűrőmembránnak vékonynak, de elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy ellenálljon a nagy nyomásnak anélkül, hogy apró, kellemetlen szennyeződések szivárognának a végső vízellátásba – ami tökéletesen illeszkedik ehhez a poliamid anyaghoz.
Strano a jövőben reméli, hogy kiterjesztheti a polimerizációs módszert ezen a Kevlar analógon túlmutató más polimerekre is. „A polimerek mindenhol körülvesznek minket” – mondta. „Mindent képesek.” Képzeljük el, hogy sokféle polimert, még az egzotikusakat is, amelyek képesek vezetni az elektromosságot vagy a fényt, vékony filmekké alakítunk, amelyekkel különféle felületeket lehet lefedni – tette hozzá. „Ennek az új mechanizmusnak köszönhetően talán más típusú polimerek is használhatók lesznek” – mondta Stano.
Egy műanyagokkal körülvett világban a társadalomnak oka van arra, hogy izgatott legyen egy újabb új polimer miatt, amelynek mechanikai tulajdonságai egyáltalán nem átlagosak – mondta Strano. Ez az aramid rendkívül tartós, ami azt jelenti, hogy a mindennapi műanyagokat, a festékektől a zacskókon át az élelmiszer-csomagolásokig, kevesebb és erősebb anyaggal helyettesíthetjük. Strano hozzátette, hogy a fenntarthatóság szempontjából ez a szupererős 2D polimer egy lépés a helyes irányba, hogy megszabadítsuk a világot a műanyagtól.
Shi En Kim (ahogy általában Kimnek hívják) malajziai születésű szabadúszó tudományos író és a Popular Science 2022 tavaszi félévének szerkesztőségi gyakornoka. Számos témáról írt, a pókhálók – emberek vagy maguk a pókok – különös felhasználásától kezdve az űrben található szemétgyűjtőkig.
A Boeing Starliner űrhajója még nem érte el a Nemzetközi Űrállomást, de a szakértők optimisták egy harmadik tesztrepüléssel kapcsolatban.
Részt veszünk az Amazon Services LLC Associates programban, amely egy affiliate hirdetési program, és amelynek célja, hogy jutalékot szerezzünk az Amazon.com és a kapcsolódó webhelyekre mutató linkek révén. A webhely regisztrációja vagy használata a Szolgáltatási Feltételeink elfogadását jelenti.
Közzététel ideje: 2022. május 19.