Wissenschaftler haben Kunststoff geschaffen, der dem Stahl entspricht – stark, aber nicht schwer. Kunststoffe, die Chemiker manchmal Polymere nennen, sind eine Klasse langkettiger Moleküle, die aus kurzen, sich wiederholenden Einheiten, sogenannten Monomeren, bestehen kommt in Membranform. Es ist außerdem 50-mal luftdichter als der undurchlässigste Kunststoff auf dem Markt. Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieses Polymers ist seine einfache Synthese. Der Prozess, der bei Raumtemperatur stattfindet, erfordert nur billige Materialien und die Polymer kann in großen Schichten, die nur Nanometer dick sind, in Massenproduktion hergestellt werden. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse am 2. Februar in der Zeitschrift Nature.
Das fragliche Material wird Polyamid genannt, ein fadenförmiges Netzwerk aus molekularen Amideinheiten (Amide sind chemische Stickstoffgruppen, die an sauerstoffgebundene Kohlenstoffatome gebunden sind). Zu diesen Polymeren gehören Kevlar, eine Faser, die zur Herstellung kugelsicherer Westen verwendet wird, und Nomex, ein feuerfestes Material. widerstandsfähiges Gewebe. Wie Kevlar sind die Polyamidmoleküle im neuen Material über die gesamte Länge ihrer Ketten durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden, was die Gesamtfestigkeit des Materials erhöht.
„Sie kleben wie Klettverschlüsse zusammen“, sagte Hauptautor Michael Strano, Chemieingenieur am MIT. Um Materialien zu zerreißen, müssen nicht nur einzelne Molekülketten aufgebrochen werden, sondern auch die riesigen intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen überwunden werden, die das gesamte Polymerbündel durchdringen.
Darüber hinaus können die neuen Polymere automatisch Flocken bilden. Dadurch ist das Material leicht zu verarbeiten, da es zu dünnen Filmen verarbeitet oder als dünnschichtige Oberflächenbeschichtung verwendet werden kann. Herkömmliche Polymere neigen dazu, als lineare Ketten zu wachsen oder sich wiederholt zu verzweigen und zu verzweigen In drei Dimensionen verknüpfen, unabhängig von der Ausrichtung. Stranos Polymere wachsen jedoch auf einzigartige Weise in 2D und bilden Nanoblätter.
„Können Sie auf einem Blatt Papier aggregieren? „Es stellt sich heraus, dass man es in den meisten Fällen erst schaffen kann, wenn unsere Arbeit erledigt ist“, sagte Strano. „Also haben wir einen neuen Mechanismus gefunden.“ In dieser jüngsten Arbeit überwand sein Team eine Hürde, um diese zweidimensionale Aggregation zu ermöglichen.
Der Grund dafür, dass Polyaramide eine planare Struktur haben, liegt darin, dass die Polymersynthese einen Mechanismus beinhaltet, der als autokatalytische Templatbildung bezeichnet wird: Wenn sich das Polymer verlängert und an den Monomerbausteinen haftet, veranlasst das wachsende Polymernetzwerk nachfolgende Monomere, sich nur in der richtigen Richtung zu verbinden, um die Verbindung der Monomere zu stärken zweidimensionale Struktur. Die Forscher zeigten, dass sie das Polymer in Lösung leicht auf Wafer auftragen konnten, um Laminate mit einer Breite von weniger als 4 Nanometern und einer Dicke von weniger als 4 Nanometern zu erzeugen. Das ist fast ein Millionstel der Dicke von normalem Büropapier.
Um die mechanischen Eigenschaften des Polymermaterials zu quantifizieren, maßen die Forscher die Kraft, die erforderlich ist, um mit einer feinen Nadel Löcher in eine aufgehängte Materialbahn zu stechen. Dieses Polyamid ist tatsächlich steifer als herkömmliche Polymere wie Nylon, das Gewebe, aus dem Fallschirme hergestellt werden. Bemerkenswert ist, dass Es erfordert doppelt so viel Kraft, dieses superstarke Polyamid abzuschrauben wie Stahl gleicher Dicke. Laut Strano kann die Substanz als Schutzschicht auf Metalloberflächen wie Autofurnieren oder als Filter zur Reinigung von Wasser verwendet werden. Für die letztgenannte Funktion muss die ideale Filtermembran dünn, aber stark genug sein, um hohen Drücken standzuhalten, ohne dass kleine, störende Verunreinigungen in unsere Endversorgung gelangen – eine perfekte Passform für dieses Polyamidmaterial.
In Zukunft hofft Strano, die Polymerisationsmethode auf andere Polymere als das Kevlar-Analogon auszuweiten. „Polymere sind überall um uns herum“, sagte er. „Sie machen alles.“ Stellen Sie sich vor, viele verschiedene Arten von Polymeren, auch exotische, die Elektrizität oder Licht leiten können, in dünne Filme umzuwandeln, die eine Vielzahl von Oberflächen bedecken können, fügt er hinzu. „Aufgrund dieses neuen Mechanismus können jetzt möglicherweise andere Arten von Polymeren verwendet werden.“ sagte Stano.
In einer Welt, die von Kunststoffen umgeben ist, hat die Gesellschaft Grund, sich über ein weiteres neues Polymer zu freuen, dessen mechanische Eigenschaften alles andere als gewöhnlich sind, sagte Strano. Dieses Aramid ist extrem langlebig, was bedeutet, dass wir alltägliche Kunststoffe ersetzen können, von Farben über Taschen bis hin zu Lebensmittelverpackungen. mit weniger und stärkeren Materialien.Strano fügte hinzu, dass dieses superstarke 2D-Polymer aus Sicht der Nachhaltigkeit ein Schritt in die richtige Richtung sei, um die Welt von Plastik zu befreien.
Shi En Kim (wie sie üblicherweise Kim genannt wird) ist eine in Malaysia geborene freiberufliche Wissenschaftsautorin und Redaktionspraktikantin für Popular Science Spring 2022. Sie hat ausführlich über Themen geschrieben, die von der skurrilen Verwendung von Spinnweben – Menschen oder Spinnen selbst – bis hin zu Müllsammlern reichen im Weltraum.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. Mai 2022