Ученые создали пластик, эквивалентный стали — прочный, но не тяжелый. Пластики, которые химики иногда называют полимерами, представляют собой класс длинноцепочечных молекул, состоящих из коротких повторяющихся звеньев, называемых мономерами. В отличие от предыдущих полимеров такой же прочности, новый материал выпускается только в форме мембраны. Он также в 50 раз более герметичен, чем самый непроницаемый пластик на рынке. Еще одним примечательным аспектом этого полимера является простота его синтеза. Процесс, который проходит при комнатной температуре, требует только дешевых материалов, и полимер можно производить массово в виде больших листов толщиной всего несколько нанометров. Исследователи сообщили о своих результатах 2 февраля в журнале Nature.
Рассматриваемый материал называется полиамидом — он представляет собой переплетенную сеть молекулярных единиц амида (амиды — это азотсодержащие химические группы, присоединенные к атомам углерода, связанным с кислородом). К таким полимерам относятся кевлар — волокно, используемое для изготовления пуленепробиваемых жилетов, и номекс — огнестойкая ткань. Как и в кевларе, молекулы полиамида в новом материале связаны друг с другом водородными связями по всей длине своих цепей, что повышает общую прочность материала.
«Они склеиваются, как липучки», — говорит ведущий автор исследования Майкл Страно, инженер-химик Массачусетского технологического института. Разрыв материалов требует не только разрыва отдельных молекулярных цепей, но и преодоления гигантских межмолекулярных водородных связей, которые пронизывают весь полимерный пучок.
Кроме того, новые полимеры могут автоматически формировать хлопья. Это упрощает обработку материала, поскольку из него можно изготавливать тонкие пленки или использовать его в качестве тонкопленочного поверхностного покрытия. Традиционные полимеры, как правило, растут в виде линейных цепей или многократно разветвляются и соединяются в трех измерениях, независимо от ориентации. Но полимеры Страно растут уникальным образом в 2D, образуя нанолисты.
«Можно ли агрегировать данные на листе бумаги? Оказывается, в большинстве случаев это невозможно, пока не пройдёт наша работа», — сказал Страно. «Итак, мы нашли новый механизм». В этой недавней работе его команда преодолела препятствие, сделав двумерное агрегирование возможным.
Причина, по которой полиарамиды имеют плоскую структуру, заключается в том, что синтез полимера включает механизм, называемый автокаталитическим шаблонированием: по мере того, как полимер удлиняется и прилипает к мономерным строительным блокам, растущая полимерная сеть побуждает последующие мономеры объединяться только в правильном направлении, чтобы усилить объединение двухмерной структуры. Исследователи продемонстрировали, что они могут легко покрыть полимером в растворе пластины для создания ламинатов шириной в дюйм и толщиной менее 4 нанометров. Это почти одна миллионная толщины обычной офисной бумаги.
Чтобы количественно оценить механические свойства полимерного материала, исследователи измерили силу, необходимую для прокалывания отверстий в подвешенном листе материала тонкой иглой. Этот полиамид действительно жестче, чем традиционные полимеры, такие как нейлон, ткань, используемая для изготовления парашютов. Примечательно, что для откручивания этого сверхпрочного полиамида требуется вдвое больше силы, чем для стали той же толщины. По словам Страно, это вещество можно использовать в качестве защитного покрытия на металлических поверхностях, таких как автомобильный шпон, или в качестве фильтра для очистки воды. В последнем случае идеальная мембрана фильтра должна быть тонкой, но достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление без утечки мелких, неприятных загрязнений в нашу конечную подачу — идеальное решение для этого полиамидного материала.
В будущем Страно надеется распространить метод полимеризации на другие полимеры, помимо этого аналога кевлара. «Полимеры повсюду вокруг нас», — сказал он. «Они делают всё». Представьте себе превращение множества различных видов полимеров, даже экзотических, способных проводить электричество или свет, в тонкие плёнки, которыми можно покрывать самые разные поверхности, добавляет он. «Благодаря этому новому механизму, возможно, теперь можно будет использовать и другие виды полимеров», — сказал Стано.
В мире, окруженном пластиком, у общества есть все основания с энтузиазмом относиться к еще одному новому полимеру, механические свойства которого далеки от обычных, сказал Страно. Этот арамид чрезвычайно долговечен, что означает, что мы можем заменить повседневные пластмассы, от красок и пакетов до упаковки продуктов питания, более прочными материалами, но меньшим количеством материалов. Страно добавил, что с точки зрения устойчивого развития этот сверхпрочный 2D-полимер является шагом в правильном направлении к освобождению мира от пластика.
Ши Эн Ким (как ее обычно называют Ким) — независимый научный писатель родом из Малайзии и стажер редакции журнала Popular Science Spring 2022. Она много писала на темы, охватывающие широкий спектр — от необычного использования паутины людьми или самими пауками до сборщиков мусора в космосе.
Космический корабль Starliner компании Boeing еще не добрался до Международной космической станции, но эксперты с оптимизмом смотрят на третий испытательный полет.
Мы являемся участником программы Amazon Services LLC Associates — партнерской рекламной программы, которая позволяет нам зарабатывать комиссионные за счет ссылок на Amazon.com и аффилированные сайты. Регистрация или использование этого сайта означает согласие с нашими Условиями предоставления услуг.
Время публикации: 19 мая 2022 г.