Det nya materialet är en tvådimensionell polymer, tillverkad av melamin , som självmonteras till ark, till skillnad från alla andra polymerer, som bildar endimensionella, spaghettiliknande kedjor. Fram till nu hade forskare trott att det var omöjligt att få polymerer att bilda 2D-ark.
Ett sådant material skulle kunna användas som en lätt och hållbar beläggning för bildelar eller mobiltelefoner, eller som byggmaterial för broar eller andra strukturer, säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs-professor i kemiteknik vid MIT och huvudförfattare till den nya studien.
”Vi brukar inte tänka på plast som något man skulle kunna använda för att stödja en byggnad, men med det här materialet kan man möjliggöra nya saker”, säger han. ”Det har väldigt ovanliga egenskaper och vi är väldigt glada över det.”
Forskarna har ansökt om två patentansökningar för processen de använde för att generera materialet, vilket de beskriver i en artikel som publiceras idag i Nature . MIT-postdoktorn Yuwen Zeng är huvudförfattare till studien.
Två dimensioner
Polymerer, som inkluderar alla plaster, består av kedjor av byggstenar som kallas monomerer. Dessa kedjor växer genom att nya molekyler tillsätts i sina ändar. När polymerer väl har bildats kan de formas till tredimensionella föremål, såsom vattenflaskor, med hjälp av formsprutning.
Polymerforskare har länge antagit att om polymerer kunde förmås att växa till ett tvådimensionellt ark, skulle de bilda extremt starka och lätta material. Men många decenniers arbete inom detta område ledde till slutsatsen att det var omöjligt att skapa sådana ark. En anledning till detta var att om bara en monomer roterar upp eller ner, ut ur det växande arkets plan, kommer materialet att börja expandera i tre dimensioner och den arkliknande strukturen kommer att gå förlorad.
I den nya studien kom Strano och hans kollegor dock fram till en ny polymerisationsprocess som gör det möjligt för dem att generera ett tvådimensionellt ark som kallas polyaramid. För monomerernas byggstenar använder de en förening som kallas melamin, som innehåller en ring av kol- och kväveatomer. Under rätt förhållanden kan dessa monomerer växa i två dimensioner och bilda skivor. Dessa skivor staplas ovanpå varandra och hålls samman av vätebindningar mellan lagren, vilket gör strukturen mycket stabil och stark.
"Istället för att skapa en spaghettiliknande molekyl kan vi skapa ett arkliknande molekylplan, där vi får molekyler att haka ihop sig i två dimensioner", säger Strano. "Denna mekanism sker spontant i lösning, och efter att vi syntetiserat materialet kan vi enkelt spin-coata tunna filmer som är extremt starka."
Eftersom materialet självbildas i lösning kan det tillverkas i stora mängder genom att helt enkelt öka mängden utgångsmaterial. Forskarna visade att de kunde belägga ytor med filmer av materialet, vilket de kallar 2DPA-1.
"Med detta framsteg har vi plana molekyler som kommer att bli mycket enklare att forma till ett mycket starkt, men extremt tunt material", säger Strano.
Lätt men starkt
Forskarna fann att det nya materialets elasticitetsmodul – ett mått på hur mycket kraft det krävs för att deformera ett material – är mellan fyra och sex gånger större än den hos skottsäkert glas. De fann också att dess sträckgräns, eller hur mycket kraft det krävs för att bryta materialet, är dubbelt så stor som ståls, trots att materialet bara har ungefär en sjättedel så stor densitet som stål.
En annan viktig egenskap hos 2DPA-1 är att den är ogenomtränglig för gaser. Medan andra polymerer är gjorda av spiralformade kedjor med mellanrum som gör att gaser kan sippra igenom, är det nya materialet tillverkat av monomerer som låses ihop likt LEGO, och molekyler kan inte komma mellan dem.
”Detta skulle kunna göra det möjligt för oss att skapa ultratunna beläggningar som helt kan förhindra att vatten eller gaser tränger igenom”, säger Strano. ”Den här typen av barriärbeläggning skulle kunna användas för att skydda metall i bilar och andra fordon, eller stålkonstruktioner.”
Strano och hans studenter studerar nu mer i detalj hur just denna polymer kan bilda 2D-ark, och de experimenterar med att ändra dess molekylära sammansättning för att skapa andra typer av nya material.
Forskningen finansierades av Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), ett Energy Frontier Research Center sponsrat av US Department of Energy Office of Science, och Army Research Laboratory.
Nyhetskontakt:
E-post: [e-postskyddad]
Tel: + 86-28-8411-1861