Opracowano polimer mocniejszy od stali

Polimery, jakimi są wszystkie tworzywa sztuczne, składają się z "jednowymiarowych" łańcuchów elementów zwanych monomerami. Łańcuchy te wydłużają się dzięki dołączaniu nowych cząsteczek monomeru do ich końców. Struktura bryły polimeru przypomina masę poplątanego spaghetii (łańcuchów polimeru), z której można kształtować trójwymiarowe przedmioty, na przykład wytwarzane metodą wtrysku butelki na wodę czy kolekcjonerskie figurki celebrytów.

Chemicy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) dokonali rzeczy uważanej dotychczas za niemożliwą: polimeryzacji w dwóch wymiarach, w postaci płaskich arkuszy. Korzystając z tego nowatorskiego procesu stworzyli nowy materiał - mocniejszy niż stal i tak lekki, jak plastik. Materiał ten może być łatwo wytwarzany w dużych ilościach.

Naukowcy zajmujący się polimerami od dawna przypuszczali, że jeśli polimery da się sprowokować do wzrostu w dwuwymiarowy arkusz, powinny one tworzyć niezwykle mocne i lekkie materiały. Jednak wiele dziesięcioleci pracy w tej dziedzinie doprowadziło do wniosku, że nie da się stworzyć takich arkuszy. Wystarczyłoby na przykład, aby tylko jeden monomer obrócił się w górę lub w dół, poza płaszczyznę rosnącego arkusza, aby materiał zaczął rozszerzać się w trzech wymiarach i struktura podobna do arkusza została utracona.

Opracowany przez naukowców z MIT nowy proces polimeryzacji pozwala tworzyć dwuwymiarowy arkusz zwany poliaramidem. Jako monomeru użyto związku zwanego melaminą, który zawiera pierścień atomów węgla i azotu. W odpowiednich warunkach takie monomery mogą rosnąć w dwóch wymiarach, tworząc dyski. Dyski te układają się jeden na drugim, połączone wiązaniami wodorowymi między warstwami, dzięki czemu struktura jest bardzo stabilna i mocna.

Jak wyjaśnia Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej na MIT, tego rodzaju materiał może być używany jako lekka, trwała powłoka do części samochodowych lub telefonów komórkowych albo jako materiał budowlany do mostów lub innych konstrukcji. "Zazwyczaj nie myślimy o tworzywach sztucznych jako o czymś, co można wykorzystać do wsparcia budynku, ale dzięki temu materiałowi można będzie tworzyć nowe rzeczy" - wskazał profesor Strano. - "Ma on bardzo niezwykłe właściwości i jesteśmy z tego powodu niezwykle podekscytowani". "Zamiast tworzyć cząsteczki podobne do spaghetti, możemy stworzyć płaszczyznę molekularną podobną do arkusza, w której cząsteczki łączą się ze sobą w dwóch wymiarach" - mówi Strano. - "Ten mechanizm zachodzi spontanicznie w roztworze, a po zsyntetyzowaniu materiału możemy z łatwością powlekać cienkimi warstwami, które są niezwykle mocne".

Ponieważ materiał samoorganizuje się w roztworze, można go wytwarzać w dużych ilościach, po prostu zwiększając ilość materiałów wyjściowych. Naukowcy wykazali, że mogą pokrywać powierzchnie warstwami materiału, który nazywają 2DPA-1. Twórcy dwuwymiarowego polimeru złożyli dwa wnioski patentowe na proces, którego użyli do wygenerowania materiału. Głównym autorem badania jest Yuwen Zeng z MIT.

Moduł sprężystości - miara siły potrzebnej do odkształcenia nowego materiału - jest od czterech do sześciu razy większy niż w przypadku szkła kuloodpornego. Natomiast granica plastyczności, czyli ilość siły potrzebnej do rozbicia materiału, jest dwa razy większa niż w przypadku stali, mimo że materiał ma tylko około jednej szóstej gęstości stali.

"Ważną właściwością tych nowych polimerów jest to, że można je łatwo przetwarzać w roztworze, co ułatwi wiele nowych zastosowań, w których ważny jest wysoki stosunek wytrzymałości do masy, takich jak nowe materiały kompozytowe lub bariery dyfuzyjne" - komentuje Matthew Tirrell, dziekan Pritzker School of Molecular Engineering na University of Chicago, który nie był zaangażowany w badania.

Inną kluczową cechą 2DPA-1 jest nieprzepuszczalność gazów. Podczas gdy inne polimery składają się ze zwiniętych łańcuchów z przerwami, które umożliwiają przenikanie gazów, nowy materiał składa się z monomerów, które łączą się ze sobą jak klocki LEGO, a cząsteczki gazów nie mogą się między nimi przecisnąć. "Może to pozwolić na tworzenie ultracienkich powłok, które mogą całkowicie uniemożliwić przedostawanie się wody lub gazów" - wskazał prof. Strano. - "Ten rodzaj powłoki barierowej może być stosowany do ochrony metalu w samochodach i innych pojazdach lub konstrukcji stalowych".

Strano i jego uczniowie studiują teraz bardziej szczegółowo, w jaki sposób ten konkretny polimer jest w stanie tworzyć arkusze 2D i eksperymentują ze zmianą jego molekularnej struktury w celu tworzenia innych typów nowych materiałów.

Paweł Wernicki