Các nhà khoa học đã tạo ra loại nhựa tương đương với thép - bền nhưng không nặng. Nhựa, mà các nhà hóa học đôi khi gọi là polyme, là một loại phân tử chuỗi dài được tạo thành từ các đơn vị lặp lại ngắn gọi là monome. Không giống như các polyme trước đây có cùng độ bền, vật liệu mới chỉ có dạng màng. Nó cũng kín khí hơn 50 lần so với loại nhựa không thấm nhất trên thị trường. Một khía cạnh đáng chú ý khác của loại polyme này là tính đơn giản trong tổng hợp. Quá trình diễn ra ở nhiệt độ phòng, chỉ cần vật liệu rẻ tiền và polyme có thể được sản xuất hàng loạt thành các tấm lớn chỉ dày vài nanomet. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo phát hiện của họ vào ngày 2 tháng 2 trên tạp chí Nature.
Vật liệu được đề cập đến được gọi là polyamide, một mạng lưới các đơn vị phân tử amide dạng sợi (amide là nhóm hóa học nitơ gắn với các nguyên tử carbon liên kết với oxy). Các polyme như vậy bao gồm Kevlar, một loại sợi được sử dụng để làm áo chống đạn, và Nomex, một loại vải chống cháy. Giống như Kevlar, các phân tử polyamide trong vật liệu mới được liên kết với nhau bằng liên kết hydro dọc theo toàn bộ chiều dài của chuỗi, giúp tăng cường độ bền tổng thể của vật liệu.
“Chúng dính chặt vào nhau như Velcro”, tác giả chính Michael Strano, một kỹ sư hóa học tại MIT, cho biết. Việc xé vật liệu không chỉ đòi hỏi phải phá vỡ từng chuỗi phân tử riêng lẻ mà còn phải vượt qua các liên kết hydro liên phân tử khổng lồ thấm vào toàn bộ bó polyme.
Ngoài ra, các polyme mới có thể tự động tạo thành vảy. Điều này làm cho vật liệu dễ xử lý vì nó có thể được tạo thành màng mỏng hoặc được sử dụng làm lớp phủ bề mặt màng mỏng. Các polyme truyền thống có xu hướng phát triển thành chuỗi tuyến tính hoặc phân nhánh và liên kết nhiều lần theo ba chiều, bất kể hướng nào. Nhưng các polyme của Strano phát triển theo cách độc đáo ở dạng 2D để tạo thành các tấm nano.
“Liệu bạn có thể tổng hợp dữ liệu trên một tờ giấy không? Hóa ra, trong hầu hết các trường hợp, bạn không thể làm được điều đó cho đến khi có công trình của chúng tôi”, Strano nói. “Vì vậy, chúng tôi đã tìm ra một cơ chế mới”. Trong công trình gần đây này, nhóm của ông đã vượt qua một rào cản để hiện thực hóa khả năng tổng hợp hai chiều này.
Lý do polyaramide có cấu trúc phẳng là vì quá trình tổng hợp polyme liên quan đến một cơ chế gọi là tạo khuôn tự xúc tác: khi polyme kéo dài và bám vào các khối monome, mạng lưới polyme phát triển sẽ thúc đẩy các monome tiếp theo chỉ kết hợp theo đúng hướng để tăng cường sự liên kết của cấu trúc hai chiều. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể dễ dàng phủ polyme trong dung dịch lên các tấm wafer để tạo ra các tấm nhiều lớp rộng một inch có độ dày dưới 4 nanomet. Độ dày này gần bằng một phần triệu độ dày của giấy văn phòng thông thường.
Để định lượng các tính chất cơ học của vật liệu polyme, các nhà nghiên cứu đã đo lực cần thiết để chọc các lỗ trên một tấm vật liệu treo bằng một cây kim nhỏ. Polyamide này thực sự cứng hơn các polyme truyền thống như nylon, loại vải được sử dụng để làm dù. Đáng chú ý, cần lực gấp đôi để tháo polyamide siêu bền này so với thép có cùng độ dày. Theo Strano, chất này có thể được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ trên bề mặt kim loại, chẳng hạn như lớp phủ ô tô, hoặc làm bộ lọc để làm sạch nước. Ở chức năng sau, màng lọc lý tưởng cần mỏng nhưng đủ chắc để chịu được áp suất cao mà không rò rỉ các chất gây ô nhiễm nhỏ, gây phiền toái vào nguồn cung cấp cuối cùng của chúng tôi - một sự phù hợp hoàn hảo cho vật liệu polyamide này.
Trong tương lai, Strano hy vọng có thể mở rộng phương pháp trùng hợp sang nhiều loại polyme khác ngoài loại Kevlar tương tự này. Ông nói: "Polyme có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta. Chúng có thể làm mọi thứ." Ông nói thêm: "Hãy tưởng tượng việc biến nhiều loại polyme khác nhau, thậm chí cả những loại polyme kỳ lạ có thể dẫn điện hoặc phát sáng, thành những màng mỏng có thể bao phủ nhiều bề mặt khác nhau. Nhờ cơ chế mới này, có thể các loại polyme khác hiện có thể được sử dụng".
Strano cho biết, trong một thế giới được bao quanh bởi nhựa, xã hội có lý do để phấn khích về một loại polymer mới có các tính chất cơ học không hề bình thường. Loại aramid này cực kỳ bền, có nghĩa là chúng ta có thể thay thế nhựa hàng ngày, từ sơn đến túi xách đến bao bì thực phẩm, bằng ít vật liệu hơn và bền hơn. Strano nói thêm rằng xét về mặt bền vững, loại polymer 2D siêu bền này là một bước đi đúng hướng để giải phóng thế giới khỏi nhựa.
Shi En Kim (tên thường gọi của cô là Kim) là một nhà văn khoa học tự do người Malaysia và là thực tập sinh biên tập của tạp chí Popular Science mùa xuân 2022. Cô đã viết nhiều về các chủ đề khác nhau, từ những cách sử dụng kỳ lạ của mạng nhện - con người hoặc chính loài nhện - cho đến những người thu gom rác ngoài không gian.
Tàu vũ trụ Starliner của Boeing vẫn chưa tới được Trạm vũ trụ quốc tế, nhưng các chuyên gia rất lạc quan về chuyến bay thử nghiệm thứ ba.
Chúng tôi là người tham gia Chương trình cộng tác viên của Amazon Services LLC, một chương trình quảng cáo liên kết được thiết kế để giúp chúng tôi kiếm được phí bằng cách liên kết đến Amazon.com và các trang web liên kết. Đăng ký hoặc sử dụng trang web này đồng nghĩa với việc chấp nhận Điều khoản dịch vụ của chúng tôi.
Thời gian đăng: 19-05-2022