科学家们研制出一种强度堪比钢铁的塑料——既坚固又轻便。塑料，化学家有时称之为聚合物，是一类由称为单体的短重复单元组成的长链分子。与以往同等强度的聚合物不同，这种新型材料仅以膜状形式存在。它的气密性比市面上最不透气的塑料高出50倍。这种聚合物的另一个显著特点是其合成方法简单。该合成过程在室温下即可完成，仅需廉价原料，而且这种聚合物可以大规模生产成厚度仅为纳米级的超薄片状。研究人员于2月2日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。
这种材料被称为聚酰胺，它是由酰胺分子单元（酰胺是由含氮化学基团与氧键合的碳原子连接而成的）交织而成的网络结构。这类聚合物包括用于制造防弹背心的凯夫拉纤维和阻燃织物诺梅克斯。与凯夫拉纤维类似，这种新型材料中的聚酰胺分子通过氢键沿其链的整个长度相互连接，从而增强了材料的整体强度。
“它们像魔术贴一样粘在一起，”论文第一作者、麻省理工学院化学工程师迈克尔·斯特拉诺说。撕裂材料不仅需要打破单个分子链，还需要克服贯穿整个聚合物束的巨大分子间氢键。
此外，这种新型聚合物能够自动形成薄片。这使得该材料易于加工，可以制成薄膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物通常以线性链的形式生长，或者在三维空间中反复分支和连接，而与取向无关。但斯特拉诺的聚合物以一种独特的方式在二维空间中生长，形成纳米片。
“你能在一张纸上进行聚合吗？结果表明，在大多数情况下，这是不可能的，直到我们的研究出现，”斯特拉诺说。“所以，我们找到了一种新的机制。” 在这项最新研究中，他的团队克服了一个障碍，使这种二维聚合成为可能。
聚芳酰胺之所以具有平面结构，是因为其聚合物合成涉及一种称为自催化模板的机制：随着聚合物链的伸长并粘附在单体结构单元上，不断增长的聚合物网络会引导后续单体沿正确方向结合，从而增强二维结构的结合力。研究人员证明，他们可以轻松地将聚合物溶液涂覆到晶圆上，制成厚度小于4纳米、宽度达一英寸的层压板。这几乎是普通办公用纸厚度的百万分之一。
为了量化这种聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针在悬浮的材料薄片上戳孔所需的力。这种聚酰胺确实比尼龙等传统聚合物（尼龙是制作降落伞的常用材料）更硬。值得注意的是，拧开这种超强聚酰胺所需的力是拧开同等厚度钢材的两倍。据斯特拉诺称，这种材料可用作金属表面（例如汽车饰面）的保护涂层，或用作水净化过滤器。在后一种用途中，理想的过滤膜需要足够薄，但又足够坚固，能够承受高压，同时不会将细小的有害污染物泄漏到最终的供水中——这种聚酰胺材料完美符合要求。
斯特拉诺希望未来能将这种聚合方法推广到除凯夫拉类似物以外的其他聚合物。“聚合物无处不在，”他说，“它们无所不能。”他补充道，想象一下，如果能将许多不同种类的聚合物，甚至是那些能导电或导电的特殊聚合物，转化为可以覆盖各种表面的薄膜，那该有多好。“由于这种新机制，或许现在可以利用其他种类的聚合物了，”斯特拉诺说道。
斯特拉诺表示，在塑料充斥的世界里，一种新型聚合物的出现令人振奋，其机械性能非同寻常。这种芳纶极其耐用，这意味着我们可以用更少、更坚固的材料替代日常使用的塑料，从油漆、塑料袋到食品包装，无所不包。斯特拉诺补充道，从可持续发展的角度来看，这种超强二维聚合物是朝着摆脱塑料污染迈出的正确一步。
Shi En Kim（通常被称为 Kim）是一位马来西亚出生的自由科学撰稿人，也是《大众科学》2022 年春季刊的编辑实习生。她广泛撰写文章，主题涵盖了从蜘蛛网的奇特用途（无论是人类还是蜘蛛本身）到外太空的垃圾收集者等各种内容。
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发布时间：2022年5月19日