科学家们研制出了一种可与钢铁媲美的塑料——强度高但不笨重。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。与以前具有相同强度的聚合物不同，这种新材料仅以膜的形式存在。它的气密性也是市场上最不透气的塑料的 50 倍。这种聚合物的另一个显著特点是合成简单。该过程在室温下进行，只需要廉价的材料，而且这种聚合物可以批量生产成厚度仅为纳米的大片。研究人员于 2 月 2 日在《自然》杂志上报告了他们的研究成果。
这种材料被称为聚酰胺，是一种由酰胺分子单元（酰胺是与氧键合的碳原子连接的氮化学基团）组成的螺纹网络。此类聚合物包括用于制造防弹背心的纤维凯夫拉 (Kevlar) 和防火织物诺梅克斯 (Nomex)。与凯夫拉一样，新材料中的聚酰胺分子通过氢键沿着其整个分子链相互连接，从而增强了材料的整体强度。
“它们像维可牢尼龙搭扣一样粘在一起，”该研究的主要作者、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，还需要克服渗透整个聚合物束的巨大分子间氢键。
此外，新型聚合物可以自动形成薄片。这使材料易于加工，因为它可以制成薄膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物倾向于以线性链的形式生长，或者无论方向如何，都在三维空间中反复分支和连接。但斯特拉诺的聚合物以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？事实证明，在大多数情况下，你都无法做到这一点，直到我们的工作，”斯特拉诺说。“所以，我们发现了一种新的机制。”在最近的这项研究中，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，是因为聚合物合成涉及一种称为自催化模板的机制：随着聚合物延长并粘附在单体构件上，不断增长的聚合物网络会诱导后续单体仅在正确的方向上结合，以加强二维结构的结合。研究人员证明，他们可以轻松地将溶液中的聚合物涂覆到晶圆上，以创建厚度小于 4 纳米的一英寸宽的层压板。这几乎是普通办公用纸厚度的百万分之一。
为了量化聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针在悬挂的材料片上戳孔所需的力。这种聚酰胺确实比传统的聚合物（如用于制造降落伞的尼龙）更硬。值得注意的是，拧开这种超强聚酰胺所需的力是拧开相同厚度的钢的两倍。据斯特拉诺介绍，这种物质可以用作金属表面的保护涂层，例如汽车饰面，或用作净化水的过滤器。在后一种功能中，理想的过滤膜需要很薄但足够坚固，以承受高压，而不会将细小的、令人讨厌的污染物泄漏到我们的最终供水中——这对这种聚酰胺材料来说是完美的选择。
未来，斯特拉诺希望将这种聚合方法扩展到凯夫拉类似物以外的不同聚合物。“聚合物无处不在，”他说，“它们无所不能。”想象一下，将许多不同种类的聚合物，甚至是可以导电或导光的特殊聚合物，变成可以覆盖各种表面的薄膜，他补充道。“由于这种新机制，也许现在可以使用其他种类的聚合物，”斯塔诺说。
斯特拉诺说：“在一个被塑料包围的世界里，社会有理由对另一种机械性能非同寻常的新型聚合物感到兴奋。这种芳纶非常耐用，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，从油漆到袋子再到食品包装。”斯特拉诺补充说，从可持续性的角度来看，这种超强的二维聚合物是朝着让世界摆脱塑料的正确方向迈出的一步。
Shi En Kim（通常被称为 Kim）是马来西亚出生的自由科学作家，也是《大众科学》2022 年春季的编辑实习生。她撰写的文章涉及广泛的主题，从蜘蛛网的奇特用途（人类或蜘蛛本身）到外太空的垃圾收集器。
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发布时间：2022年5月19日