Міцніший за сталь. У США створили «неможливий» двомірний полімер

4 лютого, 16:44
Новий матеріал є двомірним полімером, який самостійно збирається в аркуші (Фото:Christine Daniloff, MIT)

Новий матеріал є двомірним полімером, який самостійно збирається в аркуші (Фото:Christine Daniloff, MIT)

Інженери Массачусетського технологічного інституту створили речовину, яка вважалася неможливою — новий матеріал, який міцніший за сталь і легкий, як пластик.

Новий матеріал є двомірним полімером, який самостійно збирається в аркуші, на відміну від усіх інших полімерів, які утворюють одномірні ланцюжки, схожі на спагеті.

Відео дня

«Такий матеріал можна використовувати як легке і міцне покриття для автомобільних деталей або стільникових телефонів, а також як будівельний матеріал для мостів або інших конструкцій», — говорить Майкл Страно, професор хімічного машинобудування в Массачусетському технологічному інституті і старший автор дослідження.

«Зазвичай ми не думаємо про пластик як щось, що можна використовувати для підтримки будівлі, але з цим матеріалом ви можете створювати нові речі. У нього дуже незвичайні властивості, і ми дуже раді цьому», — каже він.

Полімери, до яких відносяться всі пластмаси, складаються з ланцюжків будівельних блоків, які називаються мономерами. Ці ланцюги зростають, додаючи нові молекули на їхні кінці. Після формування полімери можуть бути перетворені на тривимірні об'єкти, такі як пляшки з водою, за допомогою лиття під тиском.

Вчені вже давно висунули гіпотезу про те, що якби полімери можна було змусити вирости у двовимірний аркуш, вони мали б утворювати надзвичайно міцні та легкі матеріали. Проте багато десятиліть роботи у цій галузі привели до висновку про неможливість створення таких аркушів. Одна з причин цього полягала в тому, що якщо хоча б один мономер обертається вгору або вниз з площини аркушу, що росте, матеріал почне розширюватися в трьох вимірах, і ця структура буде втрачена.

Однак у новому дослідженні Страно та його колеги вигадали новий процес полімеризації, який дозволяє їм створювати двомірний аркуш, який називається поліарамідом. Як мономерні будівельні блоки вони використовують з'єднання під назвою меламін, яке містить кільце з атомів вуглецю і азоту.

За правильних умов ці мономери можуть зростати у двох вимірах, утворюючи диски. Ці диски укладаються один на одного, скріплені водневими зв’язками між шарами, що робить структуру дуже стабільною та міцною.

Замість того, щоб робити молекулу, схожу на спагеті, ми можемо створити пластинчасту молекулярну площину, де ми змушуємо молекули з'єднуватися одну з одною у двох вимірах. Це відбувається спонтанно у розчині", — говорить Страно.

Оскільки матеріал самозбирається у розчині, його можна виробляти у великих кількостях, просто збільшуючи кількість вихідних матеріалів. Дослідники показали, що вони можуть покривати плівками поверхні матеріалу, який вони називають 2DPA-1.

«Завдяки цьому прогресу ми маємо пласкі молекули, які набагато простіше перетворити на дуже міцний, але надзвичайно тонкий матеріал», — говорить Страно.

Дослідники виявили, що модуль пружності нового матеріалу — показник сили, необхідної для деформації матеріалу, — у чотири-шість разів вищий, ніж у куленепробивного скла. Вони також виявили, що його межа плинності, або сила, необхідна для руйнування матеріалу, вдвічі вища, ніж у сталі, навіть незважаючи на те, що матеріал має лише одну шосту щільності сталі.

Ще однією ключовою особливістю 2DPA-1 є його газонепроникність. У той час як інші полімери складаються зі скручених ланцюжків з проміжками, через які проникають гази, новий матеріал складається з мономерів, які з'єднуються разом, як LEGO, і молекули не можуть потрапити між ними.

Страно та його учні тепер докладніше вивчають, як цей конкретний полімер здатний формувати двовимірні аркуші, і вони експериментують із зміною його молекулярного складу для створення інших типів нових матеріалів.

Раніше НВ писав, що дослідники з Університету Дарема у Великій Британії та Інституту Фраунгофера в Німеччині розробили перший у світі матеріал, що неможливо розрізати який назвали Proteus.

Його щільність становить лише 15% щільності сталі, що, за їхніми словами, могло забезпечити створення нових різновидів броні.

У Proteus використовуються керамічні сфери в пористій алюмінієвій структурі. Ці сфери створюють руйнівні вібрації, які притуплюють будь-які ріжучі інструменти. Дослідники черпали натхнення у жорсткій клітинній шкірці грейпфрута та міцних, стійких до руйнування раковинах молюсків.

Кутова шліфувальна машина або бурове долото проріжуть зовнішній шар пластини Proteus, але як тільки інструмент досягне вбудованих керамічних сфер, починається вібрація, яка притуплює гострі краї інструменту, а потім дрібні частинки керамічного пилу починають заповнювати проміжки у матрично-подібній структурі металу. Це призводить до того, що різати матеріал стає ще важче.

Показати ще новини
Радіо НВ
X