Uusi materiaali on kaksiulotteinen melamiinista valmistettu polymeeri , joka kootaan itsestään levyiksi toisin kuin kaikki muut polymeerit, jotka muodostavat yksiulotteisia, spagetin kaltaisia ketjuja. Tähän asti tiedemiehet olivat uskoneet, että polymeerejä oli mahdotonta saada muodostamaan kaksiulotteisia levyjä.
Tällaista materiaalia voitaisiin käyttää kevyenä ja kestävänä pinnoitteena auton osille tai matkapuhelimille tai rakennusmateriaalina silloille tai muille rakenteille, sanoo Michael Strano, MIT:n kemiantekniikan Carbon P. Dubbs -professori ja uuden tutkimuksen vanhempi kirjoittaja.
”Emme yleensä ajattele muovia rakennuksen tukemiseen käytettävänä materiaalina, mutta tämän materiaalin avulla voimme mahdollistaa uusia asioita”, hän sanoo. ”Sillä on hyvin epätavallisia ominaisuuksia, ja olemme siitä erittäin innoissamme.”
Tutkijat ovat hakeneet kaksi patenttia materiaalin tuottamiseen käyttämästään prosessista, jota he kuvaavat tänään Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa . MIT:n postdoc Yuwen Zeng on tutkimuksen pääkirjoittaja.
Kaksi ulottuvuutta
Polymeerit, joihin kuuluvat kaikki muovit, koostuvat monomeereiksi kutsuttujen rakennuspalikoiden ketjuista. Nämä ketjut kasvavat lisäämällä uusia molekyylejä päihinsä. Muodostumisen jälkeen polymeereistä voidaan muotoilla ruiskuvalulla kolmiulotteisia esineitä, kuten vesipulloja.
Polymeeritutkijat ovat pitkään olettaneet, että jos polymeerit voitaisiin saada kasvamaan kaksiulotteiseksi levyksi, niiden pitäisi muodostaa erittäin vahvoja ja kevyitä materiaaleja. Vuosikymmenten työ tällä alalla on kuitenkin johtanut siihen johtopäätökseen, että tällaisten levyjen luominen on mahdotonta. Yksi syy tähän oli se, että jos vain yksi monomeeri pyörii ylös tai alas kasvavan levyn tasosta poispäin, materiaali alkaa laajentua kolmessa ulottuvuudessa ja levymäinen rakenne katoaa.
Uudessa tutkimuksessa Strano ja hänen kollegansa kuitenkin kehittivät uuden polymerointiprosessin, jonka avulla he voivat luoda kaksiulotteisen levyn, jota kutsutaan polyaramidiksi. Monomeerien rakennuspalikoissa he käyttävät melamiinia, joka sisältää hiili- ja typpiatomien renkaan. Oikeissa olosuhteissa nämä monomeerit voivat kasvaa kahdessa ulottuvuudessa muodostaen kiekkoja. Nämä kiekot pinoutuvat päällekkäin kerrosten välisten vetysidosten avulla, mikä tekee rakenteesta erittäin vakaan ja vahvan.
”Spagetin kaltaisen molekyylin sijaan voimme tehdä levymäisen molekyylitason, jossa saamme molekyylit kytkeytymään toisiinsa kahdessa ulottuvuudessa”, Strano sanoo. ”Tämä mekanismi tapahtuu spontaanisti liuoksessa, ja materiaalin syntetisoinnin jälkeen voimme helposti pyörittää pinnoituksella ohuita kalvoja, jotka ovat erittäin vahvoja.”
Koska materiaali kootaan itse liuoksessa, sitä voidaan valmistaa suuria määriä yksinkertaisesti lisäämällä lähtöaineiden määrää. Tutkijat osoittivat, että he pystyivät päällystämään pintoja materiaalikalvoilla, joita he kutsuvat nimellä 2DPA-1.
"Tämän edistysaskeleen myötä meillä on tasomaisia molekyylejä, joista on paljon helpompi muokata erittäin vahvaa, mutta äärimmäisen ohutta materiaalia", Strano sanoo.
Kevyt mutta vahva
Tutkijat havaitsivat, että uuden materiaalin kimmokerroin – mittaa sitä, kuinka paljon voimaa materiaalin muodonmuutokseen tarvitaan – on neljästä kuuteen kertaa suurempi kuin luodinkestävän lasin. He havaitsivat myös, että sen myötölujuus eli materiaalin rikkomiseen tarvittava voima on kaksinkertainen teräkseen verrattuna, vaikka materiaalin tiheys on vain noin kuudesosa teräksen tiheydestä.
Toinen 2DPA-1:n keskeinen ominaisuus on, että se on kaasuja läpäisemätön. Kun muut polymeerit on valmistettu kierteisistä ketjuista, joissa on aukkoja, jotka päästävät kaasut läpi, uusi materiaali on valmistettu monomeereistä, jotka lukittuvat yhteen LEGO-palikoiden tavoin, eivätkä molekyylit pääse niiden väliin.
”Tämä voisi mahdollistaa erittäin ohuiden pinnoitteiden luomisen, jotka estävät veden tai kaasujen pääsyn läpi kokonaan”, Strano sanoo. ”Tällaista suojapinnoitetta voitaisiin käyttää suojaamaan metallia autoissa ja muissa ajoneuvoissa tai teräsrakenteissa.”
Strano ja hänen oppilaansa tutkivat nyt tarkemmin, miten tämä tietty polymeeri pystyy muodostamaan 2D-levyjä, ja he kokeilevat sen molekyylirakenteen muuttamista luodakseen muunlaisia uusia materiaaleja.
Tutkimusta rahoittivat Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), joka on Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston sponsoroima Energy Frontier Research Center, sekä armeijan tutkimuslaboratorio.
Uutiset Yhteystiedot:
Sähköposti: [sähköposti suojattu]
Puh: + 86-28-8411-1861