Невероятная легкость и фантастическая прочность: как ученые создали «невозможный» 2D-материал будущего
Материал можно использовать в транспортных средствах или электронике, а технология его производства и вовсе долгое время считалась невозможной
Полимеры — это универсальные материалы, наиболее известными примерами которых, пожалуй, являются пластмассы. Под микроскопом полимеры обычно выглядят как волнистые нити, одномерные цепочки звеньев, называемых мономерами, но они могут быть объединены в трехмерные формы с помощью таких производственных методов, как литье под давлением.
Однако заставить полимеры связываться друг с другом с образованием двумерных листов оказалось на удивление сложно. Хотя некоторые команды добились определенного успеха, полученные материалы имеют недостатки, которые снижают их прочность или другие желаемые свойства.
Но для своего исследования ученые Массачусетского технологического института разработали новый метод производства, который позволяет полимерам формировать 2D-листы, сохраняя при этом свою прочность. Команда начала с меламина в качестве мономера, который имеет структуру углеродных и азотных колец. В растворе, находящемся в правильных условиях, эти молекулы растут боком в форме дисков, которые затем укладываются друг на друга, а водородные связи удерживают слои вместе.
«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем сделать пластинчатую молекулярную плоскость, где заставим молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях», — пояснил Майкл Страно, старший автор исследования. «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, мы можем легко наносить центрифугированием на тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью».
Команда называет материал 2DPA-1, и он в самом деле обладает впечатляющими свойствами. Несмотря на то, что полимер очень тонкий и легкий, его предел текучести в два раза выше, чем у стали, и для его деформации требуется в шесть раз больше силы, чем для пуленепробиваемого стекла. Он также полностью непроницаем для газов и жидкостей.
Обладая такими способностями, 2DPA-1 может стать легким, прочным, водонепроницаемым покрытием для транспортных средств, электронных устройств, таких как смартфоны и тому подобное, или даже использоваться в качестве строительного материала. «Обычно мы не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для поддержки здания, но с этим материалом вы можете создавать удивительные вещи», — отметил Страно.
Команда уверяет, что метод производства легко масштабируется и может быть скорректирован для изготовления и других типов материалов.