Die nuwe materiaal is 'n tweedimensionele polimeer, gemaak van melamien , wat self-assembleer in velle, anders as alle ander polimere, wat eendimensionele, spaghetti-agtige kettings vorm. Tot dusver het wetenskaplikes geglo dat dit onmoontlik was om polimere te veroorsaak om 2D-velle te vorm.
So 'n materiaal kan gebruik word as 'n liggewig, duursame laag vir motoronderdele of selfone, of as 'n boumateriaal vir brûe of ander strukture, sê Michael Strano, die Carbon P. Dubbs Professor in Chemiese Ingenieurswese aan MIT en die senior outeur van die nuwe studie.
“Ons dink gewoonlik nie aan plastiek as iets wat jy kan gebruik om 'n gebou te ondersteun nie, maar met hierdie materiaal kan jy nuwe dinge moontlik maak,” sê hy. “Dit het baie ongewone eienskappe en ons is baie opgewonde daaroor.”
Die navorsers het aansoek gedoen vir twee patente op die proses wat hulle gebruik het om die materiaal te genereer, wat hulle beskryf in 'n artikel wat vandag in Nature verskyn . MIT-postdoc Yuwen Zeng is die hoofskrywer van die studie.
Twee dimensies
Polimere, wat alle plastiek insluit, bestaan uit kettings van boustene wat monomere genoem word. Hierdie kettings groei deur nuwe molekules aan hul punte by te voeg. Sodra hulle gevorm is, kan polimere met behulp van spuitgietwerk in driedimensionele voorwerpe, soos waterbottels, gevorm word.
Polimeerwetenskaplikes het lank gehipotetiseer dat as polimere geïnduseer kon word om in 'n tweedimensionele plaat te groei, hulle uiters sterk, liggewig materiale sou vorm. Baie dekades se werk in hierdie veld het egter tot die gevolgtrekking gelei dat dit onmoontlik was om sulke velle te skep. Een rede hiervoor was dat as net een monomeer op of af roteer, buite die vlak van die groeiende plaat, die materiaal in drie dimensies sal begin uitbrei en die plaatagtige struktuur sal verlore gaan.
In die nuwe studie het Strano en sy kollegas egter 'n nuwe polimerisasieproses bedink wat hulle toelaat om 'n tweedimensionele plaat genaamd poliaramied te genereer. Vir die monomeerboustene gebruik hulle 'n verbinding genaamd melamien, wat 'n ring van koolstof- en stikstofatome bevat. Onder die regte omstandighede kan hierdie monomere in twee dimensies groei en skywe vorm. Hierdie skywe stapel bo-op mekaar, bymekaar gehou deur waterstofbindings tussen die lae, wat die struktuur baie stabiel en sterk maak.
“In plaas daarvan om ’n spaghetti-agtige molekule te maak, kan ons ’n plaatvormige molekulêre vlak maak, waar ons molekules in twee dimensies aan mekaar laat haak,” sê Strano. “Hierdie meganisme gebeur spontaan in oplossing, en nadat ons die materiaal gesintetiseer het, kan ons maklik dun films spin-coating wat buitengewoon sterk is.”
Omdat die materiaal selfassembleer in oplossing, kan dit in groot hoeveelhede gemaak word deur bloot die hoeveelheid van die uitgangsmateriaal te verhoog. Die navorsers het getoon dat hulle oppervlaktes met films van die materiaal, wat hulle 2DPA-1 noem, kon bedek.
"Met hierdie vooruitgang het ons planêre molekules wat baie makliker gaan wees om in 'n baie sterk, maar uiters dun materiaal te vorm," sê Strano.
Lig maar sterk
Die navorsers het bevind dat die nuwe materiaal se elastiese modulus – 'n maatstaf van hoeveel krag dit verg om 'n materiaal te vervorm – tussen vier en ses keer groter is as dié van koeëlvaste glas. Hulle het ook bevind dat die vloeigrens daarvan, of hoeveel krag dit verg om die materiaal te breek, twee keer dié van staal is, al het die materiaal slegs ongeveer een sesde die digtheid van staal.
Nog 'n belangrike kenmerk van 2DPA-1 is dat dit ondeurdringbaar is vir gasse. Terwyl ander polimere gemaak word van opgerolde kettings met gapings wat gasse toelaat om deur te sypel, word die nuwe materiaal gemaak van monomere wat soos LEGO's aan mekaar vassluit, en molekules kan nie tussen hulle kom nie.
“Dit kan ons toelaat om ultradun bedekkings te skep wat heeltemal kan verhoed dat water of gasse deurdring,” sê Strano. “Hierdie soort versperringslaag kan gebruik word om metaal in motors en ander voertuie, of staalstrukture, te beskerm.”
Strano en sy studente bestudeer nou in meer besonderhede hoe hierdie spesifieke polimeer 2D-velle kan vorm, en hulle eksperimenteer met die verandering van die molekulêre samestelling daarvan om ander soorte nuwe materiale te skep.
Die navorsing is befonds deur die Sentrum vir Verbeterde Nanofluidiese Vervoer (CENT), 'n Energiegrensnavorsingsentrum geborg deur die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap, en die Leërnavorsingslaboratorium.
Nuus Kontak:
E-pos: [e-pos beskerm]
Tel: +86-28-8411-1861