นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างพลาสติกที่มีคุณสมบัติเทียบเท่าเหล็ก คือแข็งแรงแต่ไม่หนัก พลาสติกซึ่งนักเคมีบางครั้งเรียกว่าพอลิเมอร์ เป็นกลุ่มโมเลกุลสายยาวที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยที่ซ้ำกันเรียกว่าโมโนเมอร์ แตกต่างจากพอลิเมอร์ที่มีความแข็งแรงเท่ากันก่อนหน้านี้ วัสดุใหม่นี้มีลักษณะเป็นแผ่นบางเท่านั้น และยังกันอากาศได้ดีกว่าพลาสติกที่กันอากาศได้ดีที่สุดในตลาดถึง 50 เท่า อีกแง่มุมที่น่าสนใจของพอลิเมอร์นี้คือความง่ายในการสังเคราะห์ กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง ใช้เพียงวัสดุราคาถูก และสามารถผลิตพอลิเมอร์ได้ในปริมาณมากเป็นแผ่นขนาดใหญ่ที่มีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร นักวิจัยรายงานผลการค้นพบของพวกเขาเมื่อวันที่ 2 กุมภาพันธ์ในวารสาร Nature
วัสดุที่กล่าวถึงนี้เรียกว่า โพลีอะไมด์ ซึ่งเป็นโครงข่ายของหน่วยโมเลกุลอะไมด์ (อะไมด์คือกลุ่มเคมีไนโตรเจนที่เชื่อมต่อกับอะตอมคาร์บอนที่เชื่อมต่อกับออกซิเจน) โพลิเมอร์ดังกล่าวได้แก่ เคฟลาร์ ซึ่งเป็นเส้นใยที่ใช้ทำเสื้อเกราะกันกระสุน และโนเม็กซ์ ซึ่งเป็นผ้ากันไฟ เช่นเดียวกับเคฟลาร์ โมเลกุลโพลีอะไมด์ในวัสดุใหม่นี้เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจนตลอดความยาวของสายโซ่ ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงโดยรวมของวัสดุ
“พวกมันยึดติดกันแน่นเหมือนตีนตุ๊กแก” ไมเคิล สตราโน วิศวกรเคมีจาก MIT ผู้เขียนหลักกล่าว การฉีกวัสดุนั้นไม่เพียงแต่ต้องทำลายสายโซ่โมเลกุลแต่ละสายเท่านั้น แต่ยังต้องเอาชนะพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่ที่แทรกซึมอยู่ทั่วทั้งกลุ่มพอลิเมอร์ด้วย
นอกจากนี้ โพลิเมอร์ชนิดใหม่ยังสามารถก่อตัวเป็นเกล็ดได้เองโดยอัตโนมัติ ทำให้วัสดุนี้ง่ายต่อการแปรรูป เนื่องจากสามารถนำไปทำเป็นฟิล์มบางหรือใช้เป็นสารเคลือบผิวแบบฟิล์มบางได้ โพลิเมอร์แบบดั้งเดิมมักจะเติบโตเป็นสายโซ่เชิงเส้น หรือแตกแขนงและเชื่อมต่อกันซ้ำๆ ในสามมิติ โดยไม่คำนึงถึงทิศทาง แต่พอลิเมอร์ของ Strano เติบโตในรูปแบบที่ไม่เหมือนใครใน 2 มิติ เพื่อก่อตัวเป็นแผ่นนาโน
“คุณสามารถรวมข้อมูลลงบนกระดาษได้หรือไม่? ปรากฏว่าในกรณีส่วนใหญ่ คุณทำไม่ได้จนกระทั่งงานวิจัยของเรา” สตราโนกล่าว “ดังนั้น เราจึงค้นพบกลไกใหม่” ในงานวิจัยล่าสุดนี้ ทีมของเขาได้เอาชนะอุปสรรคเพื่อทำให้การรวมข้อมูลแบบสองมิติเป็นไปได้
เหตุผลที่โพลีอะราไมด์มีโครงสร้างแบบระนาบก็คือ การสังเคราะห์พอลิเมอร์เกี่ยวข้องกับกลไกที่เรียกว่า การสร้างแม่แบบแบบเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง: เมื่อพอลิเมอร์ยืดตัวและยึดติดกับหน่วยโครงสร้างโมโนเมอร์ เครือข่ายพอลิเมอร์ที่กำลังเติบโตจะกระตุ้นให้โมโนเมอร์ที่ตามมารวมตัวกันในทิศทางที่ถูกต้องเท่านั้น เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับโครงสร้างสองมิติ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถเคลือบพอลิเมอร์ในสารละลายลงบนแผ่นเวเฟอร์ได้อย่างง่ายดาย เพื่อสร้างแผ่นลามิเนตกว้างหนึ่งนิ้วที่มีความหนาน้อยกว่า 4 นาโนเมตร ซึ่งมีความหนาเกือบหนึ่งในล้านของกระดาษสำนักงานทั่วไป
เพื่อหาปริมาณคุณสมบัติทางกลของวัสดุพอลิเมอร์ นักวิจัยได้วัดแรงที่ต้องใช้ในการเจาะรูบนแผ่นวัสดุที่แขวนอยู่ด้วยเข็มขนาดเล็ก พอลิอะไมด์นี้มีความแข็งกว่าพอลิเมอร์แบบดั้งเดิม เช่น ไนลอน ซึ่งเป็นผ้าที่ใช้ทำร่มชูชีพ ที่น่าทึ่งคือ ต้องใช้แรงมากกว่าเหล็กที่มีความหนาเท่ากันถึงสองเท่าในการคลายเกลียวพอลิอะไมด์ที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษนี้ ตามที่ Strano กล่าว สารนี้สามารถใช้เป็นสารเคลือบป้องกันบนพื้นผิวโลหะ เช่น แผ่นปิดผิวรถยนต์ หรือใช้เป็นตัวกรองเพื่อทำให้น้ำบริสุทธิ์ ในการใช้งานด้านหลังนี้ เยื่อกรองที่เหมาะสมจะต้องบางแต่แข็งแรงพอที่จะทนต่อแรงดันสูงได้โดยไม่รั่วไหลสิ่งปนเปื้อนขนาดเล็กที่ไม่พึงประสงค์เข้าไปในน้ำที่ใช้แล้ว ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุพอลิอะไมด์นี้
ในอนาคต สตาโนหวังว่าจะขยายวิธีการพอลิเมอไรเซชันไปยังพอลิเมอร์ชนิดต่างๆ นอกเหนือจากอะนาล็อกของเคฟลาร์นี้ “พอลิเมอร์อยู่รอบตัวเรา” เขากล่าว “พวกมันทำได้ทุกอย่าง” ลองจินตนาการถึงการเปลี่ยนพอลิเมอร์หลายชนิด แม้แต่ชนิดแปลกใหม่ที่สามารถนำไฟฟ้าหรือแสงได้ ให้กลายเป็นฟิล์มบางๆ ที่สามารถเคลือบพื้นผิวได้หลากหลายชนิด เขากล่าวเสริม “ด้วยกลไกใหม่นี้ บางทีตอนนี้อาจสามารถใช้พอลิเมอร์ชนิดอื่นๆ ได้แล้ว” สตาโนกล่าว
ในโลกที่รายล้อมไปด้วยพลาสติก สังคมมีเหตุผลที่จะตื่นเต้นกับพอลิเมอร์ชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติทางกลที่ไม่ธรรมดา สตราโนกล่าว อะรามิดนี้มีความทนทานสูงมาก ซึ่งหมายความว่าเราสามารถใช้วัสดุที่แข็งแรงกว่าและมีจำนวนน้อยลงมาทดแทนพลาสติกในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่สีทาบ้านไปจนถึงถุงบรรจุภัณฑ์อาหาร สตราโนเสริมว่าจากมุมมองด้านความยั่งยืน พอลิเมอร์ 2 มิติที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษนี้เป็นก้าวสำคัญที่จะช่วยให้โลกปลอดจากพลาสติก
ชิ เอ็น คิม (หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า คิม) เป็นนักเขียนวิทยาศาสตร์อิสระที่เกิดในมาเลเซีย และเป็นนักศึกษาฝึกงานด้านบรรณาธิการของนิตยสาร Popular Science ฉบับฤดูใบไม้ผลิปี 2022 เธอเขียนบทความมากมายในหัวข้อต่างๆ ตั้งแต่การใช้ประโยชน์ที่แปลกประหลาดของใยแมงมุม—ทั้งจากมนุษย์หรือตัวแมงมุมเอง—ไปจนถึงคนเก็บขยะในอวกาศ
ยานอวกาศสตาร์ไลเนอร์ของโบอิ้งยังไม่สามารถเดินทางไปถึงสถานีอวกาศนานาชาติได้ แต่ผู้เชี่ยวชาญมีความหวังในแง่ดีเกี่ยวกับการทดสอบการบินครั้งที่สาม
เราเป็นผู้เข้าร่วมในโปรแกรม Amazon Services LLC Associates Program ซึ่งเป็นโปรแกรมโฆษณาแบบพันธมิตรที่ออกแบบมาเพื่อให้เราได้รับค่าธรรมเนียมจากการเชื่อมโยงไปยัง Amazon.com และเว็บไซต์ในเครือ การลงทะเบียนหรือการใช้เว็บไซต์นี้ถือเป็นการยอมรับข้อกำหนดในการให้บริการของเรา
วันที่เผยแพร่: 19 พฤษภาคม 2022