Gli scienziati hanno creato una plastica equivalente all'acciaio: resistente ma non pesante. Le materie plastiche, che i chimici a volte chiamano polimeri, sono una classe di molecole a catena lunga composte da brevi unità ripetute chiamate monomeri. A differenza dei polimeri precedenti con la stessa resistenza, il nuovo materiale si presenta solo sotto forma di membrana. È anche 50 volte più ermetico della plastica più impermeabile sul mercato. Un altro aspetto degno di nota di questo polimero è la sua semplicità di sintesi. Il processo, che avviene a temperatura ambiente, richiede solo materiali economici e il polimero può essere prodotto in serie in grandi fogli spessi solo nanometri. I ricercatori hanno riportato i loro risultati il 2 febbraio sulla rivista Nature.
Il materiale in questione è chiamato poliammide, una rete intrecciata di unità molecolari ammidiche (le ammidi sono gruppi chimici di azoto legati ad atomi di carbonio legati all'ossigeno). Tra questi polimeri figurano il Kevlar, una fibra utilizzata per realizzare giubbotti antiproiettile, e il Nomex, un tessuto ignifugo. Come il Kevlar, le molecole di poliammide nel nuovo materiale sono legate tra loro da legami idrogeno lungo l'intera lunghezza delle loro catene, il che aumenta la resistenza complessiva del materiale.
"Si attaccano come il velcro", ha affermato l'autore principale Michael Strano, ingegnere chimico del MIT. Per lacerare i materiali non è sufficiente solo rompere le singole catene molecolari, ma anche superare i giganteschi legami idrogeno intermolecolari che permeano l'intero fascio polimerico.
Inoltre, i nuovi polimeri possono formare automaticamente fiocchi. Ciò rende il materiale facile da lavorare, poiché può essere trasformato in pellicole sottili o utilizzato come rivestimento superficiale a pellicola sottile. I polimeri tradizionali tendono a crescere come catene lineari o a ramificarsi e collegarsi ripetutamente in tre dimensioni, indipendentemente dall'orientamento. Ma i polimeri di Strano crescono in un modo unico in 2D per formare nanosfoglie.
"È possibile aggregare dati su un foglio di carta? A quanto pare, nella maggior parte dei casi, non è possibile farlo fino al nostro lavoro", ha detto Strano. "Quindi, abbiamo trovato un nuovo meccanismo". In questo recente lavoro, il suo team ha superato un ostacolo per rendere possibile questa aggregazione bidimensionale.
Il motivo per cui le poliaramidi hanno una struttura planare è che la sintesi dei polimeri coinvolge un meccanismo chiamato templating autocatalitico: man mano che il polimero si allunga e si attacca ai blocchi costitutivi del monomero, la rete polimerica in crescita induce i monomeri successivi a combinarsi solo nella direzione giusta per rafforzare l'unione della struttura bidimensionale. I ricercatori hanno dimostrato di poter facilmente rivestire il polimero in soluzione su wafer per creare laminati larghi un pollice e spessi meno di 4 nanometri. Si tratta di quasi un milionesimo dello spessore della normale carta da ufficio.
Per quantificare le proprietà meccaniche del materiale polimerico, i ricercatori hanno misurato la forza necessaria per praticare dei fori in un foglio di materiale sospeso con un ago sottile. Questa poliammide è effettivamente più rigida dei polimeri tradizionali come il nylon, il tessuto utilizzato per realizzare i paracaduti. Sorprendentemente, per svitare questa poliammide super resistente ci vuole il doppio della forza rispetto all'acciaio dello stesso spessore. Secondo Strano, la sostanza può essere utilizzata come rivestimento protettivo su superfici metalliche, come le impiallacciature delle auto, o come filtro per purificare l'acqua. In quest'ultima funzione, la membrana filtrante ideale deve essere sottile ma sufficientemente resistente da resistere ad alte pressioni senza rilasciare piccoli contaminanti fastidiosi nella fornitura finale: una soluzione perfetta per questo materiale in poliammide.
In futuro, Strano spera di estendere il metodo di polimerizzazione a polimeri diversi, oltre a questo analogo del Kevlar. "I polimeri sono ovunque intorno a noi", ha affermato. "Fanno tutto". Immaginate di trasformare molti tipi diversi di polimeri, persino quelli esotici che possono condurre elettricità o luce, in pellicole sottili in grado di ricoprire una varietà di superfici, aggiunge. "Grazie a questo nuovo meccanismo, forse ora si potranno utilizzare altri tipi di polimeri", ha affermato Stano.
In un mondo circondato dalla plastica, la società ha motivo di essere entusiasta di un altro nuovo polimero le cui proprietà meccaniche sono tutt'altro che ordinarie, ha affermato Strano. Questa aramide è estremamente resistente, il che significa che possiamo sostituire la plastica di uso quotidiano, dalle vernici alle buste agli imballaggi alimentari, con materiali meno numerosi e più resistenti. Strano ha aggiunto che dal punto di vista della sostenibilità, questo polimero 2D super resistente è un passo nella giusta direzione per liberare il mondo dalla plastica.
Shi En Kim (come viene solitamente chiamata Kim) è una scrittrice scientifica freelance di origine malese e stagista editoriale per la rivista Popular Science Primavera 2022. Ha scritto molto su argomenti che spaziano dagli usi bizzarri delle ragnatele (da parte degli esseri umani o dei ragni stessi) ai netturbini nello spazio.
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Data di pubblicazione: 19 maggio 2022