Прочнее стали: химики создали пластик, считавшийся невозможным

При невероятной тонкости и легкости материал прочнее стали и пуленепробиваемого стекла.

Результаты открытия опубликованы в журнале Nature, кратко об исследовании сообщили в институте.

Обычная молекула пластика довольно объемная. Полимер состоит из мономеров — цепочек, которые выступают строительными блоками материала. Их растят, добавляя молекулы на концы, затем цепочки соединяют вместе. После формирования полимеры могут быть преобразованы в объекты любой формы, например бутылки с водой, с помощью литья под давлением.

Обычный мономер, если говорить грубо, похож на спагетти. Ученые много лет бьются над тем, чтобы создать молекулу пластика, плоскую, как супертонкий лист. Однако многие десятилетия работы в этой области привели к выводу о невозможности этого. Одна из причин заключалась в том, что, если хотя бы одна молекула мономера выбьется вверх или вниз из плоскости, материал начнет расширяться во все стороны и листовая структура будет потеряна.

Однако ученые придумали новый процесс полимеризации, который позволяет создавать двумерный лист, называемый полиарамидом. В качестве мономерных строительных блоков используют соединение под названием «меламин», которое содержит кольцо из атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти только горизонтально, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, скрепленные водородными связями между слоями, что делает структуру очень стабильной и прочной. Материал назвали двухмерным, или 2D-полимером.

«Вместо того чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем создать пластинчатую молекулярную плоскость, где мы заставляем молекулы соединяться друг с другом исключительно в горизонтальной. Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после того, как мы синтезируем материал, можем легко создавать центрифугированием тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью», — говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

Поскольку материал сам собирается в растворе, его можно производить в больших количествах, просто увеличивая количество исходных материалов. Пленками из нового полимера можно покрывать огромные площади. Получается сверхтонкий, при этом сверхпрочный и сверхлегкий материал. Его можно использовать в качестве покрытия для автомобильных деталей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов или других конструкций.

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

Исследователи обнаружили, что модуль упругости нового пластика — показатель приложения силы, необходимой для деформации материала, — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла. Они также вычислили, что его предел текучести, то есть сила, необходимая для разрушения, в два раза выше, чем у стали, хотя 2D-полимер имеет лишь одну шестую плотности стали.

Еще одной ключевой особенностью нового материала 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.

«Это позволит нам создавать ультратонкие покрытия, которые могут полностью предотвратить проникновение воды или газов», — говорит Страно.