Το νέο υλικό είναι ένα δισδιάστατο πολυμερές, κατασκευασμένο από μελαμίνη , που αυτοσυναρμολογείται σε φύλλα, σε αντίθεση με όλα τα άλλα πολυμερή, τα οποία σχηματίζουν μονοδιάστατες αλυσίδες που μοιάζουν με σπαγγέτι. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν αδύνατο να προκληθεί σχηματισμός δισδιάστατων φύλλων από πολυμερή.
Ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ελαφριά, ανθεκτική επίστρωση για ανταλλακτικά αυτοκινήτων ή κινητά τηλέφωνα ή ως δομικό υλικό για γέφυρες ή άλλες κατασκευές, λέει ο Michael Strano, καθηγητής Χημικής Μηχανικής στο MIT και κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης.
«Συνήθως δεν σκεφτόμαστε τα πλαστικά ως κάτι που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να στηρίξει ένα κτίριο, αλλά με αυτό το υλικό, μπορείτε να επιτρέψετε την κατασκευή νέων πραγμάτων», λέει. «Έχει πολύ ασυνήθιστες ιδιότητες και είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι γι' αυτό».
Οι ερευνητές έχουν καταθέσει δύο διπλώματα ευρεσιτεχνίας σχετικά με τη διαδικασία που χρησιμοποίησαν για την παραγωγή του υλικού, την οποία περιγράφουν σε μια δημοσίευση που δημοσιεύεται σήμερα στο Nature . Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του MIT, Γιουέν Ζενγκ, είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Δύο διαστάσεις
Τα πολυμερή, στα οποία περιλαμβάνονται όλα τα πλαστικά, αποτελούνται από αλυσίδες δομικών στοιχείων που ονομάζονται μονομερή. Αυτές οι αλυσίδες αναπτύσσονται προσθέτοντας νέα μόρια στα άκρα τους. Μόλις σχηματιστούν, τα πολυμερή μπορούν να διαμορφωθούν σε τρισδιάστατα αντικείμενα, όπως μπουκάλια νερού, χρησιμοποιώντας χύτευση με έγχυση.
Οι επιστήμονες των πολυμερών έχουν από καιρό υποθέσει ότι εάν τα πολυμερή μπορούσαν να αναπτυχθούν σε ένα δισδιάστατο φύλλο, θα έπρεπε να σχηματίζουν εξαιρετικά ισχυρά, ελαφριά υλικά. Ωστόσο, πολλές δεκαετίες εργασίας σε αυτόν τον τομέα οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν τέτοια φύλλα. Ένας λόγος για αυτό ήταν ότι εάν μόνο ένα μονομερές περιστραφεί προς τα πάνω ή προς τα κάτω, εκτός του επιπέδου του αναπτυσσόμενου φύλλου, το υλικό θα αρχίσει να διαστέλλεται σε τρεις διαστάσεις και η δομή που μοιάζει με φύλλο θα χαθεί.
Ωστόσο, στη νέα μελέτη, ο Strano και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία πολυμερισμού που τους επιτρέπει να δημιουργήσουν ένα δισδιάστατο φύλλο που ονομάζεται πολυαραμίδιο. Για τα δομικά στοιχεία των μονομερών, χρησιμοποιούν μια ένωση που ονομάζεται μελαμίνη, η οποία περιέχει έναν δακτύλιο ατόμων άνθρακα και αζώτου. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, αυτά τα μονομερή μπορούν να αναπτυχθούν σε δύο διαστάσεις, σχηματίζοντας δίσκους. Αυτοί οι δίσκοι στοιβάζονται ο ένας πάνω στον άλλο, συγκρατούμενοι με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των στρωμάτων, γεγονός που καθιστά τη δομή πολύ σταθερή και ισχυρή.
«Αντί να φτιάξουμε ένα μόριο που μοιάζει με σπαγγέτι, μπορούμε να φτιάξουμε ένα μοριακό επίπεδο που μοιάζει με φύλλο, όπου κάνουμε τα μόρια να γαντζώνονται μεταξύ τους σε δύο διαστάσεις», λέει ο Strano. «Αυτός ο μηχανισμός συμβαίνει αυθόρμητα σε διάλυμα και, αφού συνθέσουμε το υλικό, μπορούμε εύκολα να επικαλύψουμε με περιστρεφόμενο υμένιο λεπτές μεμβράνες που είναι εξαιρετικά ισχυρές».
Επειδή το υλικό αυτοσυναρμολογείται σε διάλυμα, μπορεί να παρασκευαστεί σε μεγάλες ποσότητες απλώς αυξάνοντας την ποσότητα των αρχικών υλικών. Οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορούσαν να επικαλύψουν επιφάνειες με μεμβράνες του υλικού, τις οποίες ονομάζουν 2DPA-1.
«Με αυτή την πρόοδο, έχουμε επίπεδα μόρια που θα είναι πολύ πιο εύκολο να μετατραπούν σε ένα πολύ ισχυρό, αλλά εξαιρετικά λεπτό υλικό», λέει ο Στράνο.
Ελαφρύ αλλά δυνατό
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το μέτρο ελαστικότητας του νέου υλικού — ένα μέτρο της δύναμης που απαιτείται για την παραμόρφωση ενός υλικού — είναι μεταξύ τεσσάρων και έξι φορές μεγαλύτερο από αυτό του αλεξίσφαιρου γυαλιού. Διαπίστωσαν επίσης ότι το όριο διαρροής του, ή η δύναμη που απαιτείται για να σπάσει το υλικό, είναι διπλάσιο από αυτό του χάλυβα, παρόλο που το υλικό έχει μόνο περίπου το ένα έκτο της πυκνότητας του χάλυβα.
Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό του 2DPA-1 είναι ότι είναι αδιαπέραστο από αέρια. Ενώ άλλα πολυμερή κατασκευάζονται από σπειροειδείς αλυσίδες με κενά που επιτρέπουν στα αέρια να διαπερνούν, το νέο υλικό κατασκευάζεται από μονομερή που κλειδώνουν μεταξύ τους όπως τα LEGO, και τα μόρια δεν μπορούν να περάσουν ανάμεσά τους.
«Αυτό θα μπορούσε να μας επιτρέψει να δημιουργήσουμε εξαιρετικά λεπτές επιστρώσεις που μπορούν να αποτρέψουν εντελώς τη διέλευση νερού ή αερίων», λέει ο Strano. «Αυτό το είδος επίστρωσης φραγμού θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προστασία μετάλλου σε αυτοκίνητα και άλλα οχήματα ή σε χαλύβδινες κατασκευές».
Ο Στράνο και οι μαθητές του μελετούν τώρα με περισσότερες λεπτομέρειες πώς αυτό το συγκεκριμένο πολυμερές είναι σε θέση να σχηματίζει δισδιάστατα φύλλα και πειραματίζονται με την αλλαγή της μοριακής του σύνθεσης για να δημιουργήσουν άλλους τύπους νέων υλικών.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Κέντρο για την Ενισχυμένη Νανορευστομεταφορά (CENT), ένα Κέντρο Έρευνας για τα Σύνορα Ενέργειας που χρηματοδοτείται από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και το Εργαστήριο Έρευνας του Στρατού.
Επικοινωνία Ειδήσεων:
Email: [προστασία μέσω email]
Tel: +86-28-8411-1861