Прочнее стали. В США создали «невозможный» двумерный полимер

4 февраля, 16:44

Инженеры Массачусетского технологического института создали вещество, которое считалось невозможным — новый материал, который прочнее стали и легкий, как пластик.

Новый материал представляет собой двумерный полимер, который самостоятельно собирается в листы, в отличие от всех других полимеров, которые образуют одномерные цепочки, похожие на спагетти.

Видео дня

«Такой материал можно использовать в качестве легкого и прочного покрытия для автомобильных деталей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов или других конструкций», — говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования.

«Обычно мы не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для поддержки здания, но с этим материалом вы можете создавать новые вещи. У него очень необычные свойства, и мы очень этому рады», — говорит он.

Полимеры, к которым относятся все пластмассы, состоят из цепочек строительных блоков, называемых мономерами. Эти цепи растут, добавляя новые молекулы на их концы. После формирования полимеры могут быть преобразованы в трехмерные объекты, такие как бутылки с водой, с помощью литья под давлением.

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

Однако в новом исследовании Страно и его коллеги придумали новый процесс полимеризации, который позволяет им создавать двумерный лист, который называется полиарамидом. В качестве мономерных строительных блоков они используют соединение под названием меламин, которое содержит кольцо из атомов углерода и азота.

При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, скрепленные водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной.

«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем создать пластинчатую молекулярную плоскость, где мы заставляем молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях. Это происходит спонтанно в растворе», — говорит Страно.

Поскольку материал самособирается 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.

poster
Дайджест главных новостей
Бесплатная email-рассылка только лучших материалов от редакторов НВ
Рассылка отправляется с понедельника по пятницу

«Благодаря этому прогрессу у нас есть плоские молекулы, которые будет намного проще превратить в очень прочный, но чрезвычайно тонкий материал», — говорит Страно.

Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового материала — показатель силы, необходимой для деформации материала, — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также обнаружили, что его предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали, даже несмотря на то, что материал имеет лишь одну шестую плотности стали.

Еще одной ключевой особенностью 2DPA-1 является его газонепроницаемость. В то время как другие полимеры состоят из скрученных цепочек с промежутками, через которые просачиваются газы, новый материал состоит из мономеров, которые соединяются вместе, как LEGO, и молекулы не могут попасть между ними.

Страно и его ученики теперь более подробно изучают, как этот конкретный полимер способен формировать двумерные листы, и они экспериментируют с изменением его молекулярного состава для создания других типов новых материалов.

Ранее НВ писал, что исследователи из Университета Дарема в Великобритании и Института Фраунгофера в Германии разработали первый в мире не режущийся материал, который назвали Proteus.

Его плотность составляет всего 15% плотности стали, что, по их словам, могло бы обеспечить создание новых разновидностей брони.

В Proteus используются керамические сферы в ячеистой алюминиевой структуре. Эти сферы создают разрушительные вибрации, которые притупляют любые режущие инструменты. Исследователи черпали вдохновение в жесткой клеточной кожуре грейпфрута и прочных, устойчивых к разрушению раковинах моллюсков.

Угловая шлифовальная машина или буровое долото прорежут внешний слой пластины Proteus, но как только инструмент достигнет встроенных керамических сфер, начинается вибрация, которая притупляет острые края инструмента, а затем мелкие частицы керамической пыли начинают заполнять промежутки в матрично-подобной структуре металла. Это приводит к тому, что резать материал становится еще тяжелее.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X