dwuwymiarowy polimer

Naukowcom udało się stworzyć dwuwymiarowy polimer. Jest mocniejszy niż stal i tak samo lekki, jak plastik

Wykorzystując nową metodę polimeryzacji, naukowcy z MIT stworzyli nowy materiał, który – jak twierdzą – jest bardziej wytrzymały od stali i tak samo lekki jak plastik. Jego twórcy twierdzą, że cały proces da się przeskalować i uruchomić produkcję przemysłową.

Ten nowy materiał to tzw. dwuwymiarowy polimer, produkowany w arkuszach podobnych do grafenowych. Sam proces tworzenia tego rodzaju dwuwymiarowych arkuszy jest dość nowatorski – wszystkie inne polimery tworzą jednowymiarowe, trochę podobne do spaghetti, łańcuchy, przez co środowisko naukowe do niedawna twierdziło, że jest to jedyna możliwa forma dla polimerów.

Dwuwymiarowość nowego materiału sprawia, że przy zachowaniu swojej lekkości, jest on niezwykle wytrzymały. Jak bardzo? Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon P. Dubbs na MIT i starszy autor badania twierdzi, że polimerowe arkusze można z powodzeniem wykorzystywać np. do budowy mostów, albo do produkcji trwałych powłok części samochodowych.

Dwuwymiarowy polimer to całkiem nowe możliwości wykorzystania tworzyw szutcznych

Twórcy dwuwymiarowego polimeru złożyli już dwa wnioski patentowe – jeden związany z procesem polimeryzacji, drugi dotyczący samego materiału. Jest to bowiem dość duży przełom, jeśli chodzi o badania nad polimerami. Badacze zajmujący się tym zagadnieniem od dawna bowiem stawiali hipotezę, że gdyby udało się zmusić polimery do wzrostu na planie dwuwymiarowym, powinny one utworzyć bardzo lekki i niezwykle mocny materiał.

Lata jednak mijały, a nikomu nie udało się znaleźć sposobu na odwzorowanie tej teorii w praktyce – jednym z powodów było to, że jeśli chociaż jeden monomer „obróci się w górę lub w dół”, poza płaszczyznę dwuwymiarowego arkusza, materiał zacznie rozszerzać się w trzech wymiarach i nic z jego dwuwymiarowości nie zostanie. Problem ten został rozwiązany dopiero przez zespół profesora Strano, który opracował nowy proces polimeryzacji, pozwalający generować dwuwymiarowy arkusz zwany poliaramidem.

Czytaj również: Polimerowy atrament może zrewolucjonizować drukowanie elektroniki

W przypadku elementów budulcowych monomeru używają związku zwanego melaminą, który zawiera pierścień atomów węgla i azotu. W odpowiednich warunkach te 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.

Zamiast tworzyć cząsteczki podobne do spaghetti, możemy stworzyć podobną do arkusza płaszczyznę molekularną, w której cząsteczki łączą się ze sobą w dwóch wymiarach. Dzięki temu jesteśmy w stanie uzyskać płaskie cząsteczki, które będą znacznie łatwiejsze do ukształtowania w bardzo mocny, ale niezwykle cienki materiał

– tłumaczy Strano.

Sprężystość (a raczej moduł sprężystości) nowego, dwuwymiarowego polimeru jest od 4 do 6 razy większa niż w przypadku kuloodpornego szkła. W testach wykazano również, że jego 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. Kolejną kluczową cechą polimeru jest również nieprzepuszczalność gazów, co pozwala na tworzenie bardzo cienkich izolacyjnych powłok.

Badania zostały sfinansowane przez Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), Energy Frontier Research Center sponsorowane przez Biuro Nauki Departamentu Energii USA i laboratorium badawcze armii amerykańskiej. Liczba potencjalnie zainteresowanych nowym materiałem klientów jest zatem całkiem imponująca.