Các nhà khoa học đã tạo ra một loại nhựa tương đương với thép — bền chắc 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 này chỉ có dạng màng. Nó cũng kín khí hơn 50 lần so với loại nhựa chống thấm tốt nhất trên thị trường. Một khía cạnh đáng chú ý khác của polyme này là sự đơn giản trong quá trình tổng hợp. Quá trình này, diễn ra ở nhiệt độ phòng, chỉ cần các vật liệu rẻ tiền, và polyme có thể được sản xuất hàng loạt dưới dạng các tấm lớn chỉ dày vài nanomet. Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 2 tháng 2 trên tạp chí Nature.
Vật liệu được đề cập đến được gọi là polyamit, một mạng lưới các đơn vị phân tử amit (amit là các nhóm hóa học chứa 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 polyamit trong vật liệu mới được liên kết với nhau bằng liên kết hydro dọc theo toàn bộ chiều dài chuỗi của chúng, điều này giúp tăng cường độ bền tổng thể của vật liệu.
“Chúng dính chặt vào nhau như khóa dán,” 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 các chuỗi phân tử riêng lẻ, mà còn phải vượt qua các liên kết hydro liên phân tử khổng lồ lan tỏa khắp toàn bộ bó polymer.
Ngoài ra, các polyme mới này có thể tự động tạo thành các mảnh nhỏ. Điều này giúp vật liệu dễ gia công hơn, vì nó có thể được tạo thành màng mỏng hoặc được sử dụng làm lớp phủ bề mặt màng mỏng. Các polyme truyền thống thường phát triển thành chuỗi tuyến tính, hoặc phân nhánh và liên kết lặp đi lặp lại trong không gian ba chiều, bất kể hướng nào. Nhưng các polyme của Strano phát triển theo một cách độc đáo trong không gian hai chiều để tạo thành các tấm nano.
“Liệu có thể tổng hợp dữ liệu trên một tờ giấy không? Hóa ra, trong hầu hết các trường hợp, điều đó là không thể cho đến khi nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện,” Strano nói. “Vì vậy, chúng tôi đã tìm ra một cơ chế mới.” Trong nghiên cứu gần đây này, nhóm của ông đã vượt qua một trở ngại để hiện thực hóa quá trình tổng hợp hai chiều này.
Lý do các polyaramit có cấu trúc phẳng là vì quá trình tổng hợp polymer liên quan đến một cơ chế gọi là tạo khuôn tự xúc tác: khi polymer dài ra và bám vào các khối monome cấu tạo, mạng lưới polymer đang phát triển sẽ khiến các monome tiếp theo chỉ kết hợp theo đúng hướng để củng cố sự liên kết của cấu trúc hai chiều. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể dễ dàng phủ polymer trong dung dịch lên các tấm wafer để tạo ra các tấm nhiều lớp rộng khoảng 2,5 cm và dày chưa đến 4 nanomet. Điều đó gần bằng một phần triệu độ dày của giấy văn phòng thông thường.
Để định lượng các đặc tính cơ học của vật liệu polymer, các nhà nghiên cứu đã đo lực cần thiết để đâm thủng một tấm vật liệu được treo lơ lửng bằng một cây kim nhỏ. Loại polyamide này thực sự cứng hơn các loại polymer truyền thống như nylon, loại vải được sử dụng để làm dù. Đáng chú ý, cần lực gấp đôi để tháo vít loại 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 xe hơi, hoặc làm màng lọc để lọc nước. Trong chức năng sau, màng lọc lý tưởng cần phải mỏng nhưng đủ mạnh để chịu được áp suất cao mà không làm rò rỉ các chất gây ô nhiễm nhỏ, gây phiền toái vào nguồn nước cuối cùng của chúng ta - một sự phù hợp hoàn hảo cho vật liệu polyamide này.
Trong tương lai, Strano hy vọng sẽ mở rộng phương pháp trùng hợp này sang các loại polymer khác ngoài chất tương tự Kevlar này. "Polymer có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta," ông nói. "Chúng làm được mọi thứ." Hãy tưởng tượng việc biến nhiều loại polymer khác nhau, thậm chí cả những loại hiếm có thể dẫn điện hoặc ánh sáng, thành các màng mỏng có thể phủ lên nhiều bề mặt khác nhau, ông nói thêm. "Nhờ cơ chế mới này, có lẽ giờ đây các loại polymer khác cũng có thể được sử dụng," Strano nói.
Trong một thế giới tràn ngập nhựa, xã hội có lý do để hào hứng với một loại polymer mới khác có đặc tính cơ học vượt trội, Strano cho biết. Loại aramid này cực kỳ bền, có nghĩa là chúng ta có thể thay thế các loại nhựa thông thường, từ sơn đến túi xách đến bao bì thực phẩm, bằng ít vật liệu hơn nhưng bền hơn. Strano nói thêm rằng, từ góc độ bền vững, loại polymer 2D siêu bền này là một bước đi đúng hướng để giải phóng thế giới khỏi nhựa.
Shi En Kim (thường được gọi là Kim) là một nhà văn khoa học tự do người Malaysia và là thực tập sinh biên tập của tạp chí Popular Science số mùa xuân năm 2022. Cô đã viết nhiều bài về các chủ đề đa dạng, từ những công dụng kỳ lạ của mạng nhện – đối với con người hoặc chính loài nhện – đến những người thu gom rác trong không gian vũ trụ.
Tàu vũ trụ Starliner của Boeing vẫn chưa đến được Trạm Vũ trụ Quốc tế, nhưng các chuyên gia lạc quan về chuyến bay thử nghiệm thứ ba.
Chúng tôi là thành viên của Chương trình Liên kết Amazon Services LLC, một chương trình quảng cáo liên kết được thiết kế để giúp chúng tôi kiếm phí bằng cách liên kết đến Amazon.com và các trang web liên kết khác. Việc đăng ký hoặc sử dụng trang web này đồng nghĩa với việc bạn chấp nhận Điều khoản Dịch vụ của chúng tôi.
Thời gian đăng bài: 19 tháng 5 năm 2022