Используя новый процесс полимеризации в двух измерениях (что ранее считалось невозможным), инженеры и химики Массачусетского технологического института (MIT) создали материал, который прочнее стали и легкий, как пластик. Его можно легко производить в больших количествах. Полимер сам по себе складывается в плоские 2D-листы (такого добились впервые), в отличие от прочих полимеров, образующих одномерные цепочки, похожие на спагетти.
Материал назвали 2DPA-1 и его можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для автомобильных деталей, сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов и зданий. Ученые подали две заявки на патенты. Подробности описаны в журнале Nature.
Полимеры, к которым относятся все пластмассы, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. Они растут, обрастая новыми молекулами на концах. После формирования, полимеры могут приобретать нужную форму (например, бутылки) путем литья под давлением. Ученые давно предполагали, что если бы полимеры можно было заставить расти только в одной плоскости, они бы образовывали чрезвычайно прочные и легкие материалы. Но мономеры упорно расли во всех трех направлениях.
Профессор химического машиностроения Carbon P. Dubbs при Массачусетском технологическом институте Майкл Страно и его коллеги придумали новый процесс полимеризации, который позволяет создавать двумерный лист — полиарамид. В качестве мономерных строительных блоков использовали меламин, имеющий структуру колец из атомов углерода и азота. В нужных условиях мономеры могут расти только в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, удерживаясь за счет водородный связей между слоями.
«Он самособирается в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, можно легко наносить методом центрифугирования тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью», — подчеркнул Страно.
Исследователи обнаружили, что модуль упругости двумерного полиарамида — показатель силы, необходимой для деформации — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла. Предел текучести или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали. 2DPA-1 также непроницаем для газов и жидкостей.