Forskare har skapat plast motsvarande stål – stark men inte tung. Plast, som kemister ibland kallar polymerer, är en klass av långkedjiga molekyler som består av korta upprepade enheter som kallas monomerer. Till skillnad från tidigare polymerer med samma styrka finns det nya materialet endast i membranform. Det är också 50 gånger mer lufttätt än den mest ogenomträngliga plasten på marknaden. En annan anmärkningsvärd aspekt av denna polymer är dess enkla syntes. Processen, som sker vid rumstemperatur, kräver endast billiga material, och polymeren kan massproduceras i stora ark som bara är nanometer tjocka. Forskarna rapporterar sina resultat den 2 februari i tidskriften Nature.
Materialet i fråga kallas polyamid, ett gängat nätverk av amidmolekylära enheter (amider är kvävekemiska grupper bundna till syrebundna kolatomer). Sådana polymerer inkluderar Kevlar, en fiber som används för att tillverka skottsäkra västar, och Nomex, ett brandbeständigt tyg. Liksom Kevlar är polyamidmolekylerna i det nya materialet länkade till varandra med vätebindningar längs hela sina kedjor, vilket ökar materialets totala styrka.
"De klistrar ihop som kardborreband", säger huvudförfattaren Michael Strano, en kemiingenjör vid MIT. Att riva material kräver inte bara att enskilda molekylkedjor bryts, utan också att de gigantiska intermolekylära vätebindningarna som genomsyrar hela polymerknippet övervinns.
Dessutom kan de nya polymererna automatiskt bilda flingor. Detta gör materialet enkelt att bearbeta, eftersom det kan tillverkas till tunna filmer eller användas som en tunnfilmsytbeläggning. Traditionella polymerer tenderar att växa som linjära kedjor, eller upprepade gånger förgrena sig och länkas i tre dimensioner, oavsett orientering. Men Stranos polymerer växer på ett unikt sätt i 2D för att bilda nanoskikt.
”Kan man aggregera på ett papper? Det visar sig att man i de flesta fall inte kan göra det förrän vårt arbete är klart”, sa Strano. ”Så vi hittade en ny mekanism.” I detta nyligen genomförda arbete övervann hans team ett hinder för att göra denna tvådimensionella aggregering möjlig.
Anledningen till att polyaramider har en plan struktur är att polymersyntes involverar en mekanism som kallas autokatalytisk mallning: när polymeren förlängs och fastnar vid monomerens byggstenar, inducerar det växande polymernätverket efterföljande monomerer att bara kombineras i rätt riktning för att stärka sammanfogningen av den tvådimensionella strukturen. Forskarna visade att de enkelt kunde belägga polymeren i lösning på wafers för att skapa tumbreda laminat mindre än 4 nanometer tjocka. Det är nästan en miljondel av tjockleken på vanligt kontorspapper.
För att kvantifiera polymermaterialets mekaniska egenskaper mätte forskarna den kraft som krävdes för att göra hål i ett upphängt materialark med en fin nål. Denna polyamid är verkligen styvare än traditionella polymerer som nylon, tyget som används för att tillverka fallskärmar. Anmärkningsvärt nog krävs det dubbelt så mycket kraft för att skruva loss denna superstarka polyamid som stål med samma tjocklek. Enligt Strano kan ämnet användas som en skyddande beläggning på metallytor, såsom bilfaner, eller som ett filter för att rena vatten. I den senare funktionen måste det ideala filtermembranet vara tunt men tillräckligt starkt för att motstå höga tryck utan att läcka små, störande föroreningar in i vår slutliga förråd – en perfekt passform för detta polyamidmaterial.
I framtiden hoppas Strano kunna utöka polymerisationsmetoden till andra polymerer utöver denna Kevlar-analog. ”Polymerer finns överallt omkring oss”, sa han. ”De gör allt.” Tänk dig att förvandla många olika typer av polymerer, till och med exotiska som kan leda elektricitet eller ljus, till tunna filmer som kan täcka en mängd olika ytor, tillägger han. ”På grund av denna nya mekanism kan kanske andra typer av polymerer nu användas”, sa Stano.
I en värld omgiven av plast har samhället anledning att vara entusiastiskt över ytterligare en ny polymer vars mekaniska egenskaper är allt annat än vanliga, sa Strano. Denna aramid är extremt hållbar, vilket innebär att vi kan ersätta vardagsplast, från färger till påsar till livsmedelsförpackningar, med färre och starkare material. Strano tillade att ur ett hållbarhetsperspektiv är denna superstarka 2D-polymer ett steg i rätt riktning för att befria världen från plast.
Shi En Kim (som hon vanligtvis kallas Kim) är en frilansande vetenskapsskribent född i Malaysia och redaktionell praktikant på Popular Science vårterminen 2022. Hon har skrivit mycket om ämnen som sträcker sig från spindelnätens udda användningsområden – människor eller spindlarna själva – till sophämtare i rymden.
Boeings Starliner-rymdfarkost har ännu inte nått den internationella rymdstationen, men experter är optimistiska om en tredje testflygning.
Vi deltar i Amazon Services LLC Associates Program, ett affiliate-annonsprogram som är utformat för att ge oss ett sätt att tjäna avgifter genom att länka till Amazon.com och anslutna webbplatser. Registrering eller användning av denna webbplats innebär att du godkänner våra användarvillkor.
Publiceringstid: 19 maj 2022