Koristeći novi proces polimerizacije, kemijski inženjeri MIT-a stvorili su novi materijal koji je jači od čelika i lagan poput plastike. Osim toga, može se i lako proizvoditi u velikim količinama.
Novi materijal je dvodimenzionalni polimer koji se samosastavlja u listove, za razliku od svih ostalih polimera, koji tvore jednodimenzionalne lance nalik špagetima. Najzanimljivije jest zapravo da su znanstvenici dosad vjerovali da je nemoguće potaknuti polimere da formiraju 2D listove.
Takav bi se materijal mogao koristiti kao lagani, izdržljivi premaz za dijelove automobila ili mobitela, ili kao građevinski materijal za mostove i druge strukture, kaže Michael Strano, profesor kemijskog inženjerstva na MIT-u i viši autor nove studije.
Obično ne razmišljamo o plastici kao nečemu što biste mogli koristiti za potporu zgrade, ali s ovim materijalom možete omogućiti nove stvari. Ima vrlo neobična svojstva i jako smo uzbuđeni zbog toga, kaže.
Rad MIT-jevih znanstvenika objavljen je u znanstvenom časopisu Nature, a vodeća autorica studije je Yuwen Zeng, postdoktorantica na MIT-ju.
Poliaramid
Polimeri, koji uključuju svu plastiku, sastoje se od lanaca građevnih blokova koji se nazivaju monomeri. Ovi lanci rastu dodavanjem novih molekula na njihove krajeve. Jednom formirani, polimeri se mogu oblikovati u trodimenzionalne objekte, kao što su boce s vodom, korištenjem injekcijskog prešanja.
Znanstvenici za polimere dugo su pretpostavljali da bi, ako bi se polimeri mogli potaknuti da izrastu u dvodimenzionalni lim, trebali formirati iznimno jake, lagane materijale. Međutim, više desetljeća rada na ovom području dovela su do zaključka da je nemoguće izraditi takve listove. Jedan od razloga za to bio je da ako se samo jedan monomer okrene gore ili dolje, izvan ravnine rastuće ploče, materijal će se početi širiti u tri dimenzije i struktura nalik na list će se izgubiti.
Međutim, u novoj studiji, Strano i njegovi kolege došli su do novog procesa polimerizacije koji im omogućuje stvaranje dvodimenzionalne ploče nazvane poliaramid. Za građevne blokove monomera koriste spoj nazvan melamin, koji sadrži prsten atoma ugljika i dušika. Pod pravim uvjetima, ovi monomeri mogu rasti u dvije dimenzije, tvoreći diskove. Ovi se diskovi slažu jedan na drugi, drže zajedno vodikovim vezama između slojeva, što strukturu čini vrlo stabilnom i snažnom.
Materijal 2DPA-1
Umjesto da napravimo molekulu nalik špagetima, možemo napraviti molekularnu ravninu nalik na list, gdje ćemo molekule spojiti u dvije dimenzije. Ovaj mehanizam se događa spontano u otopini, a nakon što sintetiziramo materijal, lako možemo centrifugirati tanke filmove koji su izvanredno jaki, kaže Strano.
Budući da se materijal sam sastavlja u otopini, može se napraviti u velikim količinama jednostavnim povećanjem količine polaznih materijala. MIT-jevi znanstvenici su pokazali da mogu premazati površine filmom tog materijala kojeg nazivaju 2DPA-1.
S ovim napretkom, imamo planarne molekule koje će biti mnogo lakše oblikovati u vrlo jak, ali iznimno tanak materijal, kaže Strano.
Otporan na metke i dvostruko čvršći od čelika
Istraživači su otkrili da je modul elastičnosti novog materijala, odnosno mjera koliko je sile potrebna da se deformira materijal, između četiri i šest puta veći od modula otpornosti na metke. Također su otkrili da je njegova čvrstoća, odnosno sila koja je potrebna za lomljenje materijala, dvostruko veća od čelika, iako materijal ima samo jednu šestinu gustoće čelika.
Matthew Tirrell, dekan Pritzker škole za molekularno inženjerstvo na Sveučilištu u Chicagu, kaže da nova tehnika utjelovljuje vrlo kreativnu kemiju za izradu ovih vezanih 2D polimera.
Još jedna ključna značajka 2DPA-1 je da je nepropusan za plinove. Dok su drugi polimeri izrađeni od namotanih lanaca s prazninama koji omogućuju prodiranje plinova kroz njih, novi materijal je napravljen od monomera koji se spajaju poput LEGO kockica, a molekule ne mogu ući između njih.
To bi nam moglo omogućiti stvaranje ultratankih premaza koji mogu u potpunosti spriječiti prolazak vode ili plinova. Ova vrsta zaštitnog premaza mogla bi se koristiti za zaštitu metala u automobilima i drugim vozilima ili čeličnih konstrukcija, kaže Strano.
Strano i njegovi studenti sada detaljnije proučavaju kako taj polimer može oblikovati 2D listove i eksperimentiraju s promjenom njegovog molekularnog sastava kako bi stvorili druge vrste novih materijala.
Istraživanje je financirao američki Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), Energy Frontier Research Center, te je sponzorirano od strane Ureda za znanost američkog Ministarstva energetike i Istraživačkog laboratorija američke vojske.
Izvor: MIT
