Новый легкий материал прочнее стали

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Используя новый процесс полимеризации, инженеры-химики Массачусетского технологического института создали новый материал, который прочнее стали и такой же легкий, как пластик, и который можно легко производить в больших количествах.

Новый материал представляет собой двумерный полимер, который самособирается в листы, в отличие от всех других полимеров, которые образуют одномерные, похожие на спагетти цепочки. До сих пор ученые считали, что невозможно заставить полимеры образовывать двумерные листы.

По словам Майкла Страно, профессора химической инженерии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и старшего автора исследования «Подобный материал можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для деталей автомобилей или мобильных телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов и других конструкций». новое исследование.

«Обычно мы не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для поддержки здания, но с помощью этого материала можно сделать что-то новое», — говорит он. «У него очень необычные свойства, и мы этому очень рады».

Исследователи подали заявки на два патента на процесс, который они использовали для создания материала, который они описывают в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature. Постдок Массачусетского технологического института Ювэнь Цзэн — ведущий автор исследования.

Два измерения

Полимеры, к которым относятся все пластмассы, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. Эти цепи растут за счет добавления к своим концам новых молекул. После формирования полимерам можно придать форму трехмерных объектов, таких как бутылки с водой, с помощью литья под давлением.

Ученые-полимерщики уже давно выдвинули гипотезу, что, если полимеры можно заставить вырасти в двумерный лист, они должны сформировать чрезвычайно прочные и легкие материалы. Однако многие десятилетия работы в этой области привели к выводу о невозможности создания таких листов. Одной из причин этого было то, что если хотя бы один мономер повернется вверх или вниз за пределы плоскости растущего листа, материал начнет расширяться в трех измерениях, и листовая структура будет потеряна.

Однако в новом исследовании Страно и его коллеги разработали новый процесс полимеризации, который позволяет им создавать двумерный лист, называемый полиарамидом. В качестве строительных блоков мономера они используют соединение под названием меламин, которое содержит кольцо атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, скрепляясь водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной.

«Вместо того, чтобы создавать молекулу, похожую на спагетти, мы можем создать молекулярную плоскость, похожую на лист, где мы заставим молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях», — говорит Страно. «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, мы можем легко наносить тонкие пленки, которые чрезвычайно прочны».

Поскольку материал самоорганизуется в растворе, его можно производить в больших количествах, просто увеличивая количество исходных материалов. Исследователи показали, что они могут покрывать поверхности пленками материала, который они называют 2DPA-1.

«Благодаря этому прогрессу у нас есть плоские молекулы, из которых будет гораздо легче превратить очень прочный, но чрезвычайно тонкий материал», — говорит Страно.

Легкий, но сильный

Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового материала — мера того, сколько силы требуется для деформации материала — в четыре-шесть раз больше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также обнаружили, что его предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали, хотя плотность материала составляет лишь одну шестую плотности стали.