Wetenschappers hebben een plastic equivalent van staal gecreëerd: sterk, maar niet zwaar. Kunststoffen, die chemici soms polymeren noemen, zijn een klasse moleculen met lange ketens die bestaan uit korte, zich herhalende eenheden, monomeren genaamd. In tegenstelling tot eerdere polymeren met dezelfde sterkte, is het nieuwe materiaal alleen verkrijgbaar in membraanvorm. Het is ook 50 keer luchtdichter dan het meest ondoordringbare plastic op de markt. Een ander opmerkelijk aspect van dit polymeer is de eenvoudige synthese. Het proces, dat plaatsvindt bij kamertemperatuur, vereist alleen goedkope materialen en het polymeer kan massaal worden geproduceerd in grote platen van slechts nanometers dik. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen op 2 februari in het tijdschrift Nature.
Het betreffende materiaal heet polyamide, een verweven netwerk van amide-moleculaire eenheden (amiden zijn stikstofgroepen gebonden aan zuurstofgebonden koolstofatomen). Voorbeelden van dergelijke polymeren zijn Kevlar, een vezel die wordt gebruikt voor kogelwerende vesten, en Nomex, een brandwerende stof. Net als Kevlar zijn de polyamidemoleculen in het nieuwe materiaal over de gehele lengte van hun ketens met elkaar verbonden door waterstofbruggen, wat de algehele sterkte van het materiaal verbetert.
"Ze plakken aan elkaar als klittenband", aldus hoofdonderzoeker Michael Strano, chemisch ingenieur aan het MIT. Om materialen te scheuren, moeten niet alleen de afzonderlijke moleculaire ketens worden verbroken, maar ook de gigantische intermoleculaire waterstofbruggen die de hele polymeerbundel doordringen, worden overwonnen.
Bovendien kunnen de nieuwe polymeren automatisch vlokken vormen. Dit maakt het materiaal eenvoudig te verwerken, omdat het in dunne films kan worden verwerkt of kan worden gebruikt als dunne oppervlaktecoating. Traditionele polymeren groeien meestal als lineaire ketens of vertakken zich herhaaldelijk en verbinden zich in drie dimensies, ongeacht de oriëntatie. Maar de polymeren van Strano groeien op een unieke manier in 2D om nanosheets te vormen.
"Kun je iets op een stuk papier aggregeren? Het blijkt dat je dat in de meeste gevallen niet kunt, totdat we er onderzoek naar hebben gedaan," zei Strano. "Dus hebben we een nieuw mechanisme gevonden." In dit recente werk overwon zijn team een obstakel om deze tweedimensionale aggregatie mogelijk te maken.
Polyaramiden hebben een vlakke structuur omdat bij de synthese van polymeren een mechanisme wordt gebruikt dat autokatalytische templating wordt genoemd: naarmate het polymeer langer wordt en aan de monomeerbouwstenen hecht, zorgt het groeiende polymeernetwerk ervoor dat daaropvolgende monomeren zich alleen in de juiste richting combineren om de verbinding van de tweedimensionale structuur te versterken. De onderzoekers toonden aan dat ze het polymeer in oplossing eenvoudig op wafers konden coaten om laminaten van 2,5 cm breed te maken die minder dan 4 nanometer dik zijn. Dat is bijna een miljoenste van de dikte van gewoon kantoorpapier.
Om de mechanische eigenschappen van het polymeermateriaal te kwantificeren, maten de onderzoekers de kracht die nodig was om met een fijne naald gaten in een opgehangen vel materiaal te prikken. Dit polyamide is inderdaad stijver dan traditionele polymeren zoals nylon, de stof die wordt gebruikt voor parachutes. Opmerkelijk genoeg is er twee keer zoveel kracht nodig om dit supersterke polyamide los te draaien als staal van dezelfde dikte. Volgens Strano kan de stof worden gebruikt als beschermende coating op metalen oppervlakken, zoals autofineer, of als filter om water te zuiveren. Voor die laatste functie moet het ideale filtermembraan dun zijn, maar sterk genoeg om hoge druk te weerstaan zonder dat er kleine, hinderlijke verontreinigingen in onze watertoevoer lekken – een perfecte match voor dit polyamidemateriaal.
Strano hoopt de polymerisatiemethode in de toekomst uit te breiden naar andere polymeren dan deze Kevlar-analoog. "Polymeren zijn overal om ons heen", zei hij. "Ze doen alles." Stel je voor dat je veel verschillende soorten polymeren, zelfs exotische die elektriciteit of licht kunnen geleiden, omzet in dunne films die een breed scala aan oppervlakken kunnen bedekken, voegt hij eraan toe. "Dankzij dit nieuwe mechanisme kunnen nu misschien andere soorten polymeren worden gebruikt", zei Stano.
Volgens Strano is er in een wereld vol plastic reden om enthousiast te zijn over een nieuw polymeer waarvan de mechanische eigenschappen allesbehalve doorsnee zijn. Deze aramide is extreem duurzaam, wat betekent dat we alledaags plastic, van verf tot tassen en voedselverpakkingen, kunnen vervangen door minder en sterkere materialen. Vanuit het oogpunt van duurzaamheid is dit supersterke 2D-polymeer een stap in de goede richting om de wereld te bevrijden van plastic.
Shi En Kim (zoals ze meestal Kim wordt genoemd) is een in Maleisië geboren freelance wetenschapsjournalist en was stagiaire bij Popular Science Spring 2022. Ze heeft uitgebreid geschreven over onderwerpen die uiteenlopen van de eigenzinnige toepassingen van spinnenwebben – mensen of de spinnen zelf – tot vuilnisophalers in de ruimte.
Het ruimtevaartuig Starliner van Boeing heeft het Internationale Ruimtestation nog niet bereikt, maar experts zijn optimistisch over een derde testvlucht.
Wij nemen deel aan het Amazon Services LLC Associates Program, een affiliate-advertentieprogramma dat is ontworpen om ons de mogelijkheid te bieden om inkomsten te genereren door te linken naar Amazon.com en gelieerde websites. Door u te registreren voor of gebruik te maken van deze website, gaat u akkoord met onze Servicevoorwaarden.
Geplaatst op: 19 mei 2022