Dvourozměrný polymer pevnější než ocel
Chemičtí inženýři z MIT vytvořili pomocí nového polymerizačního procesu unikátní typ plastu, který má pevnost větší než ocel a hmotnost srovnatelnou s plastem. Lze jej snadno vyrábět, protože vyžaduje málo energie ve srovnání s materiály, jako je ocel a sklo.
Materiál označovaný jako 2DPA-1 je lehký a tvarovatelný jako plast, ale má pevnost a odolnost, kterou výzkumníci z Massachusettského technologického institutu přirovnávají k oceli a neprůstřelnému sklu. Jde o dvourozměrný polymer, který se na rozdíl od ostatních polymerů, jež tvoří jednorozměrné řetězce podobné špagetám, sám skládá do plátů. Až dosud se vědci domnívali, že polymerace materiálu ve dvou rozměrech k vytvoření 2D plátů je nemožná.
Trochu jiný polymer
Polymery ve všech plastech jsou tvořeny řetězci stavebních bloků, tzv. monomery, které rostou přidáváním nových molekul na jejich konce. Jakmile jsou polymery vytvořeny, mohou být tvarovány do trojrozměrných předmětů pomocí vstřikování. Vědci předpokládali, že pokud by bylo možné přimět polymery, aby se zformovaly do dvourozměrné fólie, měly by tvořit extrémně pevné a lehké materiály. Dosavadní práce však zatím vedly k závěru, že takové listy není možné vytvořit. Jedním z důvodů bylo, že pokud se pouze jeden monomer otáčí nahoru nebo dolů, mimo rovinu rostoucí desky, materiál se začne roztahovat ve třech rozměrech a struktura podobná listu se ztratí.
V nové studii publikované v časopise Nature však profesor Michael Strano a jeho kolegové z MIT informovali o novém polymerizačním procesu, ke kterému dochází spontánně ve správném chemickém roztoku, jenž umožňuje vytvořit dvourozměrnou PA fólii.
Pro stavební bloky monomerů používají k syntetizování sloučeninu zvanou melamin, která obsahuje atomy uhlíku a dusíku. Za správných podmínek mohou tyto monomery růst ve dvou rozměrech a vytvářet disky, které se vrství na sebe a drží pohromadě vodíkovými vazbami mezi vrstvami, díky nimž je struktura velmi stabilní a pevná. Zatímco všechny ostatní polymery rostou v jednorozměrných řetězcích a na jejich konce se přidávají nové molekuly, 2DPA-1 roste ve dvou rozměrech a vytváří vrstvu zvanou polyaramid. Dvourozměrná molekulární struktura dává polymeru super pevnost.
Lehký, ale silný
Výzkumníci zjistili, že modul pružnosti nového materiálu – tzn. jakou sílu je zapotřebí k jeho deformaci – je čtyři až šestkrát větší než u neprůstřelného skla. Mez kluzu, tj. síla potřebná ke zlomení nebo přetržení, je dvakrát větší než u oceli, i když má jen asi šestinu jeho hustoty.
Další klíčovou vlastností 2DPA-1 je nepropustnost pro plyny. Zatímco polymery vyrobené ze svinutých řetězců obsahují mezery umožňující prosakování plynů, nový materiál je vyroben z monomerů, které se do sebe zamykají jako lego a molekuly plynu se mezi ně nemohou dostat. Vzhledem k jeho uzavřené molekulární struktuře tak nabízí extrémně vysoký stupeň ochrany před oxidací, rzí nebo hnilobou. To by mohlo umožnit vytvářet ultratenké bariérové povlaky, schopné zcela zabránit pronikání vlhkosti nebo plynů pro zvýšení odolnosti předmětů, např. k ochraně ocelových konstrukcí nebo kovových prvků ve vozidlech. Vědci předpokládají, že se 2DPA-1 bude dát v blízké budoucnosti kromě ochranných povlaků využít i jako stavební materiál pro mosty a jiné konstrukce.
Materiál se vyrábí při pokojové teplotě, takže nevyžaduje velké množství tepla, a na rozdíl od některých nedávných „zázračných“ materiálů, jako je grafen, by mělo být snadné rozšířit jeho výrobu mimo laboratoř. A podle předpokladu vědců by měl být recyklovatelný. Pokud by se použil jako vlákna, mělo by být možné jej znovu spřádat nebo rozvláknit jako u kevlarových vláken. V jiných formách by mělo být možné jej chemicky recyklovat jako nylon. V současnosti se totiž až 79 % plastů po vyhození ukládá na skládky.
Nyní v MIT experimentují se změnou molekulárního složení 2DPA-1, aby se daly vytvořit jiné typy nových materiálů pro budoucí aplikace, např. v kompozitech místo uhlíkových vláken.
Vladimír Kaláb
Foto: Shutterstock, Christine Daniloff, MIT
83
