Jaunais materiāls ir divdimensiju polimērs, kas izgatavots no melamīna un pats saliekas loksnēs, atšķirībā no visiem citiem polimēriem, kas veido viendimensiju, spageti līdzīgas ķēdes. Līdz šim zinātnieki uzskatīja, ka nav iespējams panākt, lai polimēri veidotu divdimensiju loksnes.
Šādu materiālu varētu izmantot kā vieglu, izturīgu pārklājumu automašīnu detaļām vai mobilajiem tālruņiem, vai arī kā būvmateriālu tiltiem vai citām konstrukcijām, saka Maikls Strano, MIT ķīmiskās inženierijas profesors Karbona P. Dabsa vārdā un jaunā pētījuma vecākais autors.
“Mēs parasti nedomājam par plastmasu kā kaut ko tādu, ko varētu izmantot ēku atbalstam, bet ar šo materiālu var panākt jaunas lietas,” viņš saka. “Tam ir ļoti neparastas īpašības, un mēs par to esam ļoti sajūsmināti.”
Pētnieki ir iesnieguši divus patentus par procesu, ko viņi izmantoja materiāla iegūšanai, un apraksta to šodien žurnālā Nature publicētā rakstā . Pētījuma vadošais autors ir MIT pēcdoktorants Juvens Zengs.
Divas dimensijas
Polimēri, tostarp visas plastmasas, sastāv no celtniecības bloku ķēdēm, ko sauc par monomēriem. Šīs ķēdes aug, pievienojot to galiem jaunas molekulas. Kad polimēri ir izveidojušies, tos var veidot trīsdimensiju objektos, piemēram, ūdens pudelēs, izmantojot iesmidzināšanas formēšanu.
Polimēru zinātnieki jau sen ir izvirzījuši hipotēzi, ka, ja polimērus varētu pamudināt izaugt divdimensiju loksnē, tiem vajadzētu veidot ārkārtīgi izturīgus un vieglus materiālus. Tomēr daudzu gadu desmitu darbs šajā jomā ir novedis pie secinājuma, ka šādas loksnes nav iespējams izveidot. Viens no iemesliem bija tāds, ka, ja tikai viens monomērs rotēs uz augšu vai uz leju ārpus augošās loksnes plaknes, materiāls sāks izplesties trīs dimensijās un loksnei līdzīgā struktūra izzudīs.
Tomēr jaunajā pētījumā Strano un viņa kolēģi izgudroja jaunu polimerizācijas procesu, kas ļauj viņiem ģenerēt divdimensiju loksni, ko sauc par poliaramīdu. Monomēru pamatelementiem viņi izmanto savienojumu, ko sauc par melamīnu, kas satur oglekļa un slāpekļa atomu gredzenu. Atbilstošos apstākļos šie monomēri var augt divās dimensijās, veidojot diskus. Šie diski sakraujas viens virs otra, tos satur kopā ūdeņraža saites starp slāņiem, kas padara struktūru ļoti stabilu un izturīgu.
“Tā vietā, lai veidotu spageti līdzīgu molekulu, mēs varam izveidot loksnes veida molekulāro plakni, kur mēs panākam, ka molekulas savienojas divās dimensijās,” saka Strano. “Šis mehānisms šķīdumā notiek spontāni, un pēc materiāla sintezēšanas mēs varam viegli veidot plānas plēves, kas ir ārkārtīgi izturīgas.”
Tā kā materiāls šķīdumā pats savelkojas, to var ražot lielos daudzumos, vienkārši palielinot izejvielu daudzumu. Pētnieki parādīja, ka viņi var pārklāt virsmas ar materiāla plēvēm, ko viņi sauc par 2DPA-1.
"Ar šo sasniegumu mums ir plaknes molekulas, kuras būs daudz vieglāk pārveidot par ļoti spēcīgu, bet ārkārtīgi plānu materiālu," saka Strano.
Viegls, bet spēcīgs
Pētnieki atklāja, ka jaunā materiāla elastības modulis — mērs, kas raksturo, cik daudz spēka nepieciešams materiāla deformēšanai — ir no četrām līdz sešām reizēm lielāks nekā ložu necaurlaidīgajam stiklam. Viņi arī atklāja, ka tā tecēšanas robeža jeb spēks, kas nepieciešams materiāla saplēšanai, ir divreiz lielāks nekā tēraudam, lai gan materiāla blīvums ir tikai aptuveni viena sestā daļa no tērauda blīvuma.
Vēl viena 2DPA-1 galvenā iezīme ir tā, ka tas ir gāzu necaurlaidīgs. Kamēr citi polimēri ir izgatavoti no spirālveida ķēdēm ar spraugām, kas ļauj gāzēm iesūkties, jaunais materiāls ir izgatavots no monomēriem, kas savienojas kopā kā LEGO klucīši, un molekulas nevar iekļūt starp tiem.
“Tas varētu ļaut mums izveidot īpaši plānus pārklājumus, kas var pilnībā novērst ūdens vai gāzu iekļūšanu,” saka Strano. “Šāda veida barjeras pārklājumu varētu izmantot, lai aizsargātu metālu automašīnās un citos transportlīdzekļos vai tērauda konstrukcijas.”
Strano un viņa studenti tagad sīkāk pēta, kā šis konkrētais polimērs spēj veidot 2D loksnes, un viņi eksperimentē ar tā molekulārā sastāva maiņu, lai radītu cita veida jaunus materiālus.
Pētījumu finansēja Uzlabotā nanofluidiskā transporta centrs (CENT), Enerģētikas robežpētniecības centrs, ko sponsorē ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs, un Armijas pētniecības laboratorija.
Ziņu kontaktpersona:
E-pasts: [e-pasts aizsargāts]
Tel: + 86-28-8411-1861