Wetenschappers hebben plastic gemaakt dat gelijkwaardig is aan staal - sterk maar niet zwaar. Kunststoffen, die chemici soms polymeren noemen, zijn een klasse van moleculen met lange ketens die zijn samengesteld uit korte zich herhalende eenheden die monomeren worden genoemd. In tegenstelling tot eerdere polymeren van dezelfde sterkte, is het nieuwe materiaal alleen komt in membraanvorm. Het is ook 50 keer luchtdichter dan het meest ondoordringbare plastic op de markt. Een ander opmerkelijk aspect van dit polymeer is de eenvoud van synthese. Het proces, dat plaatsvindt bij kamertemperatuur, vereist alleen goedkope materialen, en de polymeer kan in massa worden geproduceerd in grote vellen die slechts nanometer dik zijn. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen op 2 februari in het tijdschrift Nature.
Het materiaal in kwestie wordt een polyamide genoemd, een van schroefdraad voorzien netwerk van moleculaire amide-eenheden (amiden zijn chemische stikstofgroepen die zijn vastgemaakt aan zuurstofgebonden koolstofatomen). Dergelijke polymeren omvatten Kevlar, een vezel die wordt gebruikt om kogelvrije vesten te maken, en Nomex, een resistente stof. Net als Kevlar zijn de polyamidemoleculen in het nieuwe materiaal met elkaar verbonden door waterstofbruggen over de gehele lengte van hun ketens, wat de algehele sterkte van het materiaal verbetert.
"Ze plakken aan elkaar als klittenband", zegt hoofdauteur Michael Strano, een chemisch ingenieur aan het MIT. Het scheuren van materialen vereist niet alleen het breken van individuele moleculaire ketens, maar ook het overwinnen van de gigantische intermoleculaire waterstofbruggen die de hele polymeerbundel doordringen.
Bovendien kunnen de nieuwe polymeren automatisch vlokken vormen. Dit maakt het materiaal gemakkelijk te verwerken, omdat het kan worden gemaakt in dunne films of kan worden gebruikt als een dunne film oppervlaktecoating. Traditionele polymeren hebben de neiging om te groeien als lineaire ketens, of herhaaldelijk te vertakken en link in drie dimensies, ongeacht de oriëntatie. Maar Strano's polymeren groeien op een unieke manier in 2D om nanosheets te vormen.
“Kunt u aggregeren op een stuk papier?Het blijkt dat je het in de meeste gevallen pas kunt doen als ons werk,' zei Strano. 'Dus hebben we een nieuw mechanisme gevonden.'In dit recente werk heeft zijn team een hindernis overwonnen om deze tweedimensionale aggregatie mogelijk te maken.
De reden dat polyaramiden een vlakke structuur hebben, is dat bij de polymeersynthese een mechanisme betrokken is dat autokatalytische templating wordt genoemd: naarmate het polymeer langer wordt en aan de monomeerbouwstenen blijft kleven, zorgt het groeiende polymeernetwerk ervoor dat daaropvolgende monomeren alleen in de juiste richting combineren om de vereniging van de monomeren te versterken. tweedimensionale structuur. De onderzoekers toonden aan dat ze het polymeer in oplossing gemakkelijk op wafels konden coaten om zo laminaat van minder dan 4 nanometer dik te creëren. Dat is bijna een miljoenste van de dikte van regulier kantoorpapier.
Om de mechanische eigenschappen van het polymeermateriaal te kwantificeren, maten de onderzoekers de kracht die nodig is om met een fijne naald gaten in een hangend stuk materiaal te prikken. Dit polyamide is inderdaad stijver dan traditionele polymeren zoals nylon, de stof die wordt gebruikt om parachutes te maken. het kost twee keer zoveel kracht om dit supersterke polyamide los te schroeven als staal van dezelfde dikte. Volgens Strano kan de stof gebruikt worden als beschermende coating op metalen oppervlakken, zoals autofineer, of als filter om water te zuiveren. In de laatste functie moet het ideale filtermembraan dun maar sterk genoeg zijn om hoge drukken te weerstaan zonder kleine, hinderlijke verontreinigingen in onze uiteindelijke voorraad te lekken - een perfecte pasvorm voor dit polyamide materiaal.
In de toekomst hoopt Strano de polymerisatiemethode uit te breiden naar andere polymeren dan deze Kevlar-analoog. "Polymeren zijn overal om ons heen", zei hij. "Ze doen alles."Stel je voor dat je veel verschillende soorten polymeren, zelfs exotische die elektriciteit of licht kunnen geleiden, verandert in dunne films die verschillende oppervlakken kunnen bedekken, voegt hij eraan toe. "Vanwege dit nieuwe mechanisme kunnen nu misschien andere soorten polymeren worden gebruikt," zei Stano.
In een wereld omringd door kunststoffen heeft de samenleving reden om enthousiast te zijn over een ander nieuw polymeer waarvan de mechanische eigenschappen allesbehalve gewoon zijn, zei Strano. Dit aramide is extreem duurzaam, wat betekent dat we alledaagse kunststoffen kunnen vervangen, van verf tot tassen tot voedselverpakkingen, met minder en sterkere materialen. Strano voegde eraan toe dat dit supersterke 2D-polymeer vanuit het oogpunt van duurzaamheid een stap in de goede richting is om de wereld te bevrijden van plastic.
Shi En Kim (zoals ze gewoonlijk Kim wordt genoemd) is een in Maleisië geboren freelance wetenschapsschrijver en redacteur bij Popular Science voorjaar 2022. Ze heeft veel geschreven over onderwerpen variërend van het eigenzinnige gebruik van spinnenwebben - mensen of de spinnen zelf - tot vuilnisophalers in de ruimte.
Het Starliner-ruimtevaartuig van Boeing moet het internationale ruimtestation nog bereiken, maar experts zijn optimistisch over een derde testvlucht.
Wij zijn een deelnemer aan het Amazon Services LLC Associates-programma, een aangesloten advertentieprogramma dat is ontworpen om ons een manier te bieden om vergoedingen te verdienen door te linken naar Amazon.com en gelieerde sites. Registratie of gebruik van deze site betekent acceptatie van onze Servicevoorwaarden.
Posttijd: 19 mei 2022