MIT-ingenieurs maken 2D-polymeer dat zichzelf tot platen assembleert

Met behulp van een nieuw polymerisatieproces hebben de chemische ingenieurs van MIT: gemaakt een nieuw tweedimensionaal polymeer dat zichzelf tot platen assembleert, in tegenstelling tot alle andere polymeren die eendimensionale ketens vormen. Tot nu toe dachten wetenschappers dat het onmogelijk was om polymeren te induceren om 2D-platen te vormen.

Het nieuwe materiaal is sterker dan staal en zo licht als plastic en kan gemakkelijk in grote hoeveelheden worden vervaardigd. Zo’n materiaal kan worden gebruikt als een lichtgewicht, duurzame coating voor auto-onderdelen of mobiele telefoons, of als bouwmateriaal voor bruggen of andere constructies, zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en de senior auteur van de nieuwe studie.

Normaal zien we plastic niet als iets dat je zou kunnen gebruiken om een ​​gebouw te ondersteunen, maar met dit materiaal kun je nieuwe dingen mogelijk maken. Het heeft zeer ongebruikelijke eigenschappen en daar zijn we erg enthousiast over.

—Michael Strano

De onderzoekers hebben twee patenten aangevraagd op het proces dat ze gebruikten om het materiaal te genereren, dat ze beschrijven in een paper dat verschijnt in Natuur.

Polymeren, waaronder alle kunststoffen vallen, bestaan ​​uit ketens van bouwstenen die monomeren worden genoemd. Deze ketens groeien door nieuwe moleculen aan hun uiteinden toe te voegen. Eenmaal gevormd, kunnen polymeren worden gevormd tot driedimensionale objecten, zoals waterflessen, met behulp van spuitgieten.

Polymeerwetenschappers hebben lang de hypothese geopperd dat als polymeren zouden kunnen worden geïnduceerd om uit te groeien tot een tweedimensionale plaat, ze extreem sterke, lichtgewicht materialen zouden moeten vormen. Vele decennia van werk op dit gebied leidden echter tot de conclusie dat het onmogelijk was om dergelijke vellen te maken.

Een reden hiervoor was dat als slechts één monomeer omhoog of omlaag roteert, uit het vlak van het groeiende vel, het materiaal in drie dimensies begint uit te zetten en de velachtige structuur verloren gaat. In de nieuwe studie kwamen Strano en zijn collega’s echter met een nieuw polymerisatieproces waarmee ze een tweedimensionaal vel kunnen genereren dat een polyaramide wordt genoemd. Voor de monomeerbouwstenen gebruiken ze een verbinding genaamd melamine, die een ring van koolstof- en stikstofatomen bevat. Onder de juiste omstandigheden kunnen deze monomeren in twee dimensies groeien en schijven vormen. Deze schijven stapelen zich op elkaar, bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de lagen, wat de structuur zeer stabiel en sterk maakt.

Auto-katalytische self-templating van 2DPA-1. Zeng et al.

In plaats van een spaghetti-achtig molecuul te maken, kunnen we een bladachtig moleculair vlak maken, waar we moleculen in twee dimensies aan elkaar laten haken. Dit mechanisme gebeurt spontaan in oplossing en nadat we het materiaal hebben gesynthetiseerd, kunnen we dunne films die buitengewoon sterk zijn gemakkelijk spin-coaten. Met deze vooruitgang hebben we vlakke moleculen die veel gemakkelijker te vormen zijn tot een zeer sterk, maar extreem dun materiaal.

—Michael Strano

Omdat het materiaal zichzelf in oplossing assembleert, kan het in grote hoeveelheden worden gemaakt door simpelweg de hoeveelheid uitgangsmaterialen te vergroten. De onderzoekers toonden aan dat ze oppervlakken kunnen bekleden met films van het materiaal, dat ze 2DPA-1 noemen.

De onderzoekers ontdekten dat de elasticiteitsmodulus van het nieuwe materiaal – een maat voor de kracht die nodig is om een ​​materiaal te vervormen – vier tot zes keer groter is dan die van kogelvrij glas. Ze ontdekten ook dat de vloeigrens, of hoeveel kracht er nodig is om het materiaal te breken, die van staal is, ook al heeft het materiaal slechts ongeveer een zesde van de dichtheid van tweemaal staal.

Een ander belangrijk kenmerk van 2DPA-1 is dat het ondoordringbaar is voor gassen. Terwijl andere polymeren zijn gemaakt van opgerolde kettingen met openingen waar gassen doorheen kunnen sijpelen, is het nieuwe materiaal gemaakt van monomeren die aan elkaar vastklikken zoals LEGO’s, en moleculen kunnen er niet tussen komen.

Dit zou ons in staat kunnen stellen om ultradunne coatings te maken die het binnendringen van water of gassen volledig kunnen voorkomen. Dit soort barrièrecoating kan worden gebruikt om metaal in auto’s en andere voertuigen of staalconstructies te beschermen.

—Michael Strano

Strano en zijn studenten bestuderen nu in meer detail hoe dit specifieke polymeer 2D-platen kan vormen, en ze experimenteren met het veranderen van de moleculaire samenstelling om andere soorten nieuwe materialen te creëren.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), een Energy Frontier Research Center, gesponsord door het US Department of Energy Office of Science, en het Army Research Laboratory.

Bronnen

• Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T. et al. (2022) “Onomkeerbare synthese van een ultrasterk tweedimensionaal polymeer materiaal.” Natuur 602, 91–95 doi: 10.1038/s41586-021-04296-3