Forskere har laget plast tilsvarende stål – sterk, men ikke tung. Plast, som kjemikere noen ganger kaller polymerer, er en klasse langkjedede molekyler som består av korte repeterende enheter kalt monomerer. I motsetning til tidligere polymerer med samme styrke, kommer det nye materialet bare i membranform. Det er også 50 ganger mer lufttett enn den mest ugjennomtrengelige plasten på markedet. Et annet bemerkelsesverdig aspekt ved denne polymeren er dens enkle syntese. Prosessen, som foregår ved romtemperatur, krever bare billige materialer, og polymeren kan masseproduseres i store ark som bare er nanometer tykke. Forskerne rapporterer funnene sine 2. februar i tidsskriftet Nature.
Materialet det er snakk om kalles polyamid, et gjenget nettverk av amidmolekylære enheter (amider er nitrogenkjemiske grupper festet til oksygenbundne karbonatomer). Slike polymerer inkluderer Kevlar, en fiber som brukes til å lage skuddsikre vester, og Nomex, et brannsikkert stoff. I likhet med Kevlar er polyamidmolekylene i det nye materialet bundet til hverandre av hydrogenbindinger langs hele kjedenes lengde, noe som forbedrer materialets totale styrke.
«De kleber seg sammen som borrelås», sa hovedforfatter Michael Strano, en kjemiingeniør ved MIT. Å rive opp materialer krever ikke bare at man bryter individuelle molekylkjeder, men også at man overvinner de gigantiske intermolekylære hydrogenbindingene som gjennomsyrer hele polymerbunten.
I tillegg kan de nye polymerene automatisk danne flak. Dette gjør materialet enkelt å bearbeide, ettersom det kan lages til tynne filmer eller brukes som et tynnfilmsbelegg. Tradisjonelle polymerer har en tendens til å vokse som lineære kjeder, eller gjentatte ganger forgrene seg og lenke seg i tre dimensjoner, uavhengig av orientering. Men Stranos polymerer vokser på en unik måte i 2D for å danne nanosjikt.
«Kan man aggregere på et papirark? Det viser seg at man i de fleste tilfeller ikke kan gjøre det før arbeidet vårt er ferdig», sa Strano. «Så vi fant en ny mekanisme.» I dette nylige arbeidet overvant teamet hans en hindring for å gjøre denne todimensjonale aggregeringen mulig.
Grunnen til at polyaramider har en plan struktur er at polymersyntese involverer en mekanisme som kalles autokatalytisk maling: etter hvert som polymeren forlenges og fester seg til monomerbyggesteinene, induserer det voksende polymernettverket påfølgende monomerer til å bare kombineres i riktig retning for å styrke foreningen av den todimensjonale strukturen. Forskerne demonstrerte at de enkelt kunne belegge polymeren i løsning på wafere for å lage tommers brede laminater som var mindre enn 4 nanometer tykke. Det er nesten en milliondel av tykkelsen på vanlig kontorpapir.
For å kvantifisere de mekaniske egenskapene til polymermaterialet, målte forskerne kraften som kreves for å stikke hull i et opphengt materialark med en fin nål. Dette polyamidet er faktisk stivere enn tradisjonelle polymerer som nylon, stoffet som brukes til å lage fallskjermer. Bemerkelsesverdig nok krever det dobbelt så mye kraft å skru av dette supersterke polyamidet som stål med samme tykkelse. Ifølge Strano kan stoffet brukes som et beskyttende belegg på metalloverflater, for eksempel bilfiner, eller som et filter for å rense vann. I sistnevnte funksjon må den ideelle filtermembranen være tynn, men sterk nok til å tåle høyt trykk uten å lekke små, plagsomme forurensninger inn i vår endelige forsyning – en perfekt passform for dette polyamidmaterialet.
I fremtiden håper Strano å utvide polymerisasjonsmetoden til forskjellige polymerer utover denne Kevlar-analogen. «Polymerer er overalt rundt oss», sa han. «De gjør alt.» Tenk deg å gjøre mange forskjellige typer polymerer, til og med eksotiske som kan lede elektrisitet eller lys, om til tynne filmer som kan dekke en rekke overflater, legger han til. «På grunn av denne nye mekanismen kan kanskje andre typer polymerer nå brukes», sa Stano.
I en verden omgitt av plast har samfunnet grunn til å være begeistret for nok en ny polymer med alt annet enn vanlige mekaniske egenskaper, sa Strano. Denne aramiden er ekstremt slitesterk, noe som betyr at vi kan erstatte hverdagsplast, fra maling til poser til matemballasje, med færre og sterkere materialer. Strano la til at fra et bærekraftssynspunkt er denne supersterke 2D-polymeren et skritt i riktig retning for å frigjøre verden fra plast.
Shi En Kim (som hun vanligvis kalles Kim) er en malaysiskfødt frilansvitenskapsskribent og redaksjonell praktikant i Popular Science våren 2022. Hun har skrevet mye om emner som spenner fra den særegne bruken av spindelvev – mennesker eller edderkoppene selv – til søppelsamlere i verdensrommet.
Boeings Starliner-romfartøy har ennå ikke nådd den internasjonale romstasjonen, men eksperter er optimistiske med tanke på en tredje testflyvning.
Vi deltar i Amazon Services LLC Associates Program, et affiliate-annonseprogram som er utformet for å gi oss en måte å tjene penger på ved å lenke til Amazon.com og tilknyttede nettsteder. Registrering eller bruk av dette nettstedet innebærer aksept av våre tjenestevilkår.
Publisert: 19. mai 2022