Ученые создали пластиковый эквивалент стали - со всей ее прочностью, но без тяжести. Пластмассы, которые химики иногда называют полимерами, представляют собой класс длинноцепочечных молекул, состоящих из коротких повторяющихся единиц, называемых мономерами. В отличие от предыдущих полимеров с такой же прочностью, этот новый материал выпускается исключительно в форме мембраны. Он также в 50 раз более герметичен, чем самые непроницаемые пластики, представленные на рынке. Еще одним примечательным аспектом этого полимера является простота его синтеза. Требуя лишь недорогих материалов для процесса, который можно проводить в комнатных условиях, полимер можно массово производить в виде больших листов толщиной всего в нанометр. Исследователи сообщили о своих результатах в журнале Nature 2 февраля.
Материал, о котором идет речь, называется полиамидом, представляющим собой нитевидную сеть амидных молекулярных единиц (амиды - это химические группы азота, присоединенные к кислородно-связанному атому углерода). К этому классу полимеров относится волокно кевлар, которое используется для изготовления пуленепробиваемых жилетов, и огнестойкая ткань номекс. Как и в кевларе, молекулы полиамида в новом материале связаны друг с другом водородными связями по всей длине своих цепей, что усиливает общую прочность материала.
"Они прилипают друг к другу, как липучки", - говорит ведущий автор исследования Майкл Страно, инженер-химик из Массачусетского технологического института. Для разрыва материала требуется не только разорвать отдельные молекулярные нити, но и преодолеть огромные межмолекулярные водородные связи, которые пронизывают весь полимерный пучок".
Кроме того, новый полимер может автоматически формироваться в листы. Это делает материал легким в обработке, так как из него можно делать мембраны или наносить тонкопленочные поверхностные покрытия. Традиционные полимеры обычно растут в виде линейных цепочек, или разветвляются и многократно соединяются в трех измерениях без разбора любого направления. Но полимер Страно растет уникальным образом в двухмерном пространстве, образуя нанолисты.
"Можете ли вы полимеризовать в листе? Оказывается, при большинстве обстоятельств, до нашей работы, вы не могли", - говорит Страно. "Итак, мы нашли новый механизм". В последней работе его команда преодолела препятствия, чтобы сделать эту двумерную полимеризацию возможной.
Причина планарной структуры полиарамида заключается в том, что синтез полимера включает механизм, называемый автокаталитическим шаблонированием: По мере удлинения полимеров и присоединения к ним мономерных строительных блоков, растущая полимерная сеть заставляет последующий мономер связываться только в правильной ориентации для обеспечения общей двумерной структуры. Исследователи продемонстрировали, что они могут легко наносить этот полимер в растворе на пластины для создания ламинатов шириной в дюйм и толщиной менее четырех нанометров. Это почти миллионная часть толщины обычной офисной бумаги.
Для количественной оценки механических свойств полимерного материала исследователи измерили силу, необходимую для проделывания отверстий в подвешенных листах материала тонкой иглой. Полиамид оказался действительно более жестким, чем обычные полимеры, такие как нейлон - ткань, используемая для изготовления парашютов. Примечательно, что для разрыва этого сверхпрочного полиамида требовалось в два раза больше усилий, чем для разрыва стали той же толщины. По словам Страно, это вещество можно использовать в качестве защитных покрытий для металлических поверхностей, например, для отделки автомобилей, или в качестве фильтров для очистки воды. В последнем случае идеальная мембрана фильтра должна быть тонкой, но достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление, не пропуская мелкие, досадные загрязняющие вещества в наши конечные запасы воды, что как нельзя лучше подходит для этого полиамидного материала.
В будущем Страно хочет распространить метод полимеризации на другие полимеры, помимо кевларового аналога. "Полимеры окружают нас повсюду", - говорит он. "Они делают все". Представьте себе, как можно превратить множество различных видов полимеров, даже экзотических, способных проводить электричество или излучать свет, в тонкие мембраны, которыми можно покрывать самые разные поверхности, добавляет он. "Возможно, благодаря этому новому механизму теперь доступны другие виды полимеров", - говорит Стано.
В мире, осажденном пластмассами, у общества есть основания радоваться появлению еще одного нового полимера, механические свойства которого не похожи на обычные, говорит Страно. Тот факт, что этот полиарамид настолько прочен, означает, что мы можем потенциально заменить повседневные пластмассы, от покрытий до пакетов и упаковки для пищевых продуктов, меньшим количеством материала, который также более прочен. С точки зрения устойчивого развития, добавляет Страно, этот сверхпрочный двумерный полимер - шаг в правильном направлении, чтобы отучить мир от пластика.