Naukowcy stworzyli plastik odpowiednik stali — mocny, ale nie ciężki. Tworzywa sztuczne, które chemicy czasami nazywają polimerami, to klasa długołańcuchowych cząsteczek zbudowanych z krótkich, powtarzających się jednostek zwanych monomerami. W przeciwieństwie do poprzednich polimerów o tej samej wytrzymałości, nowy materiał występuje wyłącznie w formie membrany. Jest on również 50 razy bardziej szczelny niż najbardziej nieprzepuszczalne tworzywo sztuczne na rynku. Kolejną godną uwagi cechą tego polimeru jest prostota jego syntezy. Proces, który odbywa się w temperaturze pokojowej, wymaga jedynie tanich materiałów, a polimer można produkować masowo w dużych arkuszach o grubości zaledwie nanometrów. Naukowcy opublikowali swoje odkrycia 2 lutego w czasopiśmie Nature.
Materiał, o którym mowa, nazywa się poliamidem, czyli nitkową siecią amidowych jednostek cząsteczkowych (amidy to grupy chemiczne azotu przyłączone do atomów węgla połączonych wiązaniami tlenowymi). Takie polimery to m.in. Kevlar, włókno wykorzystywane do produkcji kamizelek kuloodpornych, oraz Nomex, tkanina ognioodporna. Podobnie jak w przypadku Kevlaru, cząsteczki poliamidu w nowym materiale są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi na całej długości ich łańcuchów, co zwiększa ogólną wytrzymałość materiału.
„Przyklejają się do siebie jak rzepy” – powiedział główny autor pracy Michael Strano, inżynier chemik z MIT. Aby rozerwać materiały, konieczne jest nie tylko rozerwanie pojedynczych łańcuchów cząsteczkowych, ale także pokonanie gigantycznych międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, które przenikają cały pakiet polimeru.
Ponadto nowe polimery mogą automatycznie tworzyć płatki. Dzięki temu materiał jest łatwy w obróbce, ponieważ można z niego wytwarzać cienkie warstwy lub stosować go jako cienkowarstwową powłokę powierzchniową. Tradycyjne polimery mają tendencję do wzrostu jako łańcuchy liniowe lub wielokrotnego rozgałęziania się i łączenia w trzech wymiarach, niezależnie od orientacji. Natomiast polimery Strano rosną w wyjątkowy sposób w 2D, tworząc nanopłytki.
„Czy można agregować na kartce papieru? Okazuje się, że w większości przypadków nie da się tego zrobić przed naszą pracą” – powiedział Strano. „Więc odkryliśmy nowy mechanizm”. W tej niedawnej pracy jego zespół pokonał przeszkodę, aby umożliwić tę dwuwymiarową agregację.
Poliaramidy mają płaską strukturę, ponieważ synteza polimerów obejmuje mechanizm zwany autokatalitycznym tworzeniem szablonów: w miarę jak polimer wydłuża się i przylega do bloków budulcowych monomerów, rosnąca sieć polimerowa powoduje, że kolejne monomery łączą się tylko we właściwym kierunku, wzmacniając jedność dwuwymiarowej struktury. Naukowcy wykazali, że mogą łatwo pokrywać wafle polimerem w roztworze, tworząc laminaty o szerokości cala i grubości mniejszej niż 4 nanometry. To prawie jedna milionowa grubości zwykłego papieru biurowego.
Aby określić właściwości mechaniczne materiału polimerowego, naukowcy zmierzyli siłę potrzebną do przebicia zawieszonego arkusza materiału cienką igłą. Ten poliamid jest rzeczywiście sztywniejszy niż tradycyjne polimery, takie jak nylon, materiał używany do produkcji spadochronów. Co ciekawe, do odkręcenia tego superwytrzymałego poliamidu potrzeba dwukrotnie większej siły niż w przypadku stali o tej samej grubości. Według Strano, substancja ta może być stosowana jako powłoka ochronna na powierzchniach metalowych, takich jak okleiny samochodowe, lub jako filtr do oczyszczania wody. W tym ostatnim przypadku idealna membrana filtra musi być cienka, ale wystarczająco mocna, aby wytrzymać wysokie ciśnienie bez wyciekania małych, uciążliwych zanieczyszczeń do naszego końcowego zaopatrzenia – idealnie pasuje do tego materiału poliamidowego.
Strano ma nadzieję, że w przyszłości rozszerzy metodę polimeryzacji na inne polimery poza tym analogiem Kevlaru. „Polimery są wszędzie wokół nas” – powiedział. „Są wszechobecne”. Wyobraźmy sobie przekształcenie wielu różnych rodzajów polimerów, nawet tych egzotycznych, które przewodzą prąd elektryczny lub światło, w cienkie warstwy, które mogą pokrywać różne powierzchnie – dodaje. „Dzięki temu nowemu mechanizmowi być może będzie można teraz stosować inne rodzaje polimerów” – powiedział Stano.
Strano stwierdził, że w świecie pełnym tworzyw sztucznych społeczeństwo ma powody do ekscytacji nowym polimerem, którego właściwości mechaniczne są dalekie od przeciętnych. Ten aramid jest niezwykle trwały, co oznacza, że możemy zastąpić powszechnie stosowane tworzywa sztuczne, od farb po torby i opakowania żywności, mniejszą liczbą trwalszych materiałów. Strano dodał, że z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju ten niezwykle wytrzymały polimer 2D jest krokiem we właściwym kierunku, aby uwolnić świat od plastiku.
Shi En Kim (jak się ją zwykle nazywa Kim) jest pochodzącą z Malezji niezależną autorką tekstów popularnonaukowych i stażystką w redakcji Popular Science Spring 2022. Jest autorką licznych publikacji na różne tematy, od niecodziennych zastosowań pajęczyn — ludzi lub samych pająków — po śmieciarzy w kosmosie.
Statek kosmiczny Starliner firmy Boeing nie dotarł jeszcze do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, jednak eksperci są optymistycznie nastawieni do możliwości przeprowadzenia trzeciego lotu testowego.
Jesteśmy uczestnikiem programu partnerskiego Amazon Services LLC Associates, programu reklamy partnerskiej mającego na celu umożliwienie nam zarabiania na prowizjach poprzez linkowanie do Amazon.com i powiązanych witryn. Rejestracja lub korzystanie z tej witryny oznacza akceptację naszych Warunków korzystania z usługi.
Czas publikacji: 19 maja 2022 r.