Вчені створили пластик, еквівалентний сталі — міцний, але не важкий. Пластмаси, які хіміки іноді називають полімерами, — це клас довголанцюгових молекул, що складаються з коротких повторюваних ланок, які називаються мономерами. На відміну від попередніх полімерів такої ж міцності, новий матеріал випускається лише у формі мембрани. Він також у 50 разів герметичніший, ніж найбільш непроникний пластик на ринку. Ще одним примітним аспектом цього полімеру є простота його синтезу. Процес, який відбувається за кімнатної температури, вимагає лише дешевих матеріалів, і полімер можна масово виробляти у великих аркушах товщиною лише нанометри. Дослідники повідомляють про свої висновки 2 лютого в журналі Nature.
Розглянутий матеріал називається поліамідом, що є ниткоподібною мережею амідних молекулярних одиниць (аміди – це хімічні групи азоту, приєднані до атомів вуглецю, пов'язаних з киснем). До таких полімерів належать кевлар, волокно, яке використовується для виготовлення бронежилетів, та номекс, вогнетривка тканина. Як і кевлар, молекули поліаміду в новому матеріалі пов'язані одна з одною водневими зв'язками по всій довжині своїх ланцюгів, що підвищує загальну міцність матеріалу.
«Вони тримаються разом, як липучки», — сказав провідний автор дослідження Майкл Страно, інженер-хімік з Массачусетського технологічного інституту. Розривання матеріалів вимагає не лише розриву окремих молекулярних ланцюгів, але й подолання гігантських міжмолекулярних водневих зв’язків, які пронизують увесь полімерний пучок.
Крім того, нові полімери можуть автоматично утворювати пластівці. Це робить матеріал легким в обробці, оскільки його можна перетворювати на тонкі плівки або використовувати як тонкоплівкове поверхневе покриття. Традиційні полімери, як правило, ростуть у вигляді лінійних ланцюгів або багаторазово розгалужуються та з'єднуються у трьох вимірах, незалежно від орієнтації. Але полімери Страно ростуть унікальним чином у 2D, утворюючи нанолисти.
«Чи можна агрегувати дані на аркуші паперу? Виявляється, що в більшості випадків це неможливо зробити, поки не буде проведена наша робота», – сказав Страно. «Отже, ми знайшли новий механізм». У цій нещодавній роботі його команда подолала перешкоду, щоб зробити можливою цю двовимірну агрегацію.
Причина, чому поліараміди мають планарну структуру, полягає в тому, що синтез полімерів включає механізм, який називається автокаталітичним шаблонуванням: коли полімер видовжується та прилипає до мономерних будівельних блоків, зростаюча полімерна мережа спонукає наступні мономери об'єднуватися лише в правильному напрямку, щоб зміцнити об'єднання двовимірної структури. Дослідники продемонстрували, що вони можуть легко наносити полімер у розчині на пластини, створюючи ламінати шириною в дюйм і товщиною менше 4 нанометрів. Це майже одна мільйонна товщини звичайного офісного паперу.
Щоб кількісно визначити механічні властивості полімерного матеріалу, дослідники виміряли силу, необхідну для пробивання отворів у підвішеному листі матеріалу тонкою голкою. Цей поліамід дійсно жорсткіший за традиційні полімери, такі як нейлон, тканина, що використовується для виготовлення парашутів. Примітно, що для відкручування цього надміцного поліаміду потрібно вдвічі більше зусиль, ніж для сталі такої ж товщини. За словами Страно, речовину можна використовувати як захисне покриття на металевих поверхнях, таких як автомобільний шпон, або як фільтр для очищення води. В останній функції ідеальна фільтруюча мембрана повинна бути тонкою, але достатньо міцною, щоб витримувати високий тиск без протікання дрібних, шкідливих забруднень у наш кінцевий продукт – ідеальне рішення для цього поліамідного матеріалу.
У майбутньому Страно сподівається поширити метод полімеризації на різні полімери, окрім цього кевларового аналога. «Полімери навколо нас», – сказав він. «Вони роблять усе». Уявіть собі перетворення багатьох різних видів полімерів, навіть екзотичних, які можуть проводити електрику або світло, на тонкі плівки, які можуть покривати різні поверхні, додає він. «Завдяки цьому новому механізму, можливо, тепер можна використовувати інші види полімерів», – сказав Стано.
У світі, оточеному пластиком, суспільство має підстави для захоплення ще одним новим полімером, механічні властивості якого аж ніяк не звичайні, сказав Страно. Цей арамід надзвичайно міцний, а це означає, що ми можемо замінити повсякденні пластики, від фарб до сумок та упаковки харчових продуктів, меншою кількістю міцніших матеріалів. Страно додав, що з точки зору сталого розвитку цей надміцний 2D-полімер є кроком у правильному напрямку до звільнення світу від пластику.
Ши Ен Кім (як її зазвичай називають Кім) — малайзійська письменниця-фрілансерка з наукової літератури та стажерка редакції журналу Popular Science Spring 2022. Вона багато писала на теми, починаючи від незвичайного використання павутиння — людьми чи самими павуками — і закінчуючи збирачами сміття у космосі.
Космічний корабель Starliner компанії Boeing ще не досяг Міжнародної космічної станції, але експерти з оптимізмом дивляться на третій випробувальний політ.
Ми є учасником партнерської програми Amazon Services LLC Associates Program, партнерської рекламної програми, розробленої для того, щоб ми могли заробляти комісійні, розміщуючи посилання на Amazon.com та афілійовані сайти. Реєстрація або використання цього сайту означає прийняття наших Умов обслуговування.
Час публікації: 19 травня 2022 р.