Các kỹ sư của MIT tạo ra điều “Không thể” – Vật liệu mới mạnh hơn thép và nhẹ như nhựa

Chất mới là kết quả của một kỳ công được cho là không thể: trùng hợp một vật liệu theo hai chiều.

Sử dụng một quy trình trùng hợp mới, các kỹ sư hóa học của MIT đã tạo ra một loại vật liệu mới cứng hơn thép và nhẹ như nhựa, và có thể dễ dàng sản xuất với số lượng lớn.

Vật liệu mới này là một polyme hai chiều có thể tự lắp ráp thành các tấm, không giống như tất cả các polyme khác, tạo thành các chuỗi một chiều, giống như sợi mì spaghetti. Cho đến nay, các nhà khoa học tin rằng không thể tạo ra polyme để tạo thành các tấm 2D.

Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại MIT và là tác giả cấp cao của nghiên cứu mới.

Ông nói: “Chúng tôi thường không nghĩ rằng nhựa là thứ mà bạn có thể sử dụng để hỗ trợ một tòa nhà, nhưng với vật liệu này, bạn có thể tạo ra những điều mới mẻ. “Nó có những đặc tính rất khác thường và chúng tôi rất vui mừng về điều đó.”

Các nhà nghiên cứu đã nộp hai bằng sáng chế về quy trình mà họ sử dụng để tạo ra vật liệu, được họ mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature vào ngày 2 tháng 2 năm 2022. MIT postdoc Yuwen Zeng là tác giả chính của nghiên cứu.

Hai kích thước

Polyme, bao gồm tất cả các chất dẻo, bao gồm các chuỗi khối xây dựng được gọi là monome. Các chuỗi này phát triển bằng cách thêm các phân tử mới vào đầu của chúng. Sau khi hình thành, polyme có thể được định hình thành các vật thể ba chiều, chẳng hạn như chai nước, bằng cách sử dụng phương pháp ép phun.

Từ lâu, các nhà khoa học về polyme đã đưa ra giả thuyết rằng nếu polyme có thể được tạo ra để phát triển thành một tấm hai chiều, chúng sẽ tạo thành các vật liệu cực kỳ bền và nhẹ. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ làm việc trong lĩnh vực này đã dẫn đến kết luận rằng không thể tạo ra các trang tính như vậy. Một lý do cho điều này là chỉ cần một monome quay lên hoặc xuống, ra khỏi mặt phẳng của tấm đang phát triển, vật liệu sẽ bắt đầu nở ra theo ba chiều và cấu trúc giống như tấm sẽ bị mất.

Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, Strano và các đồng nghiệp của ông đã đưa ra một quy trình trùng hợp mới cho phép họ tạo ra một tấm hai chiều gọi là polyaramide. Đối với các khối xây dựng monome, họ sử dụng một hợp chất gọi là melamine, chứa một vòng nguyên tử cacbon và nitơ. Trong điều kiện thích hợp, các monome này có thể phát triển theo hai chiều, tạo thành các đĩa. Các đĩa này xếp chồng lên nhau, được giữ với nhau bằng các liên kết hydro giữa các lớp, tạo nên cấu trúc rất ổn định và mạnh mẽ.

Strano cho biết: “Thay vì tạo ra một phân tử giống như mì spaghetti, chúng ta có thể tạo ra một mặt phẳng phân tử giống như tấm, nơi chúng ta khiến các phân tử tự kết nối với nhau theo hai chiều,” Strano nói. “Cơ chế này xảy ra một cách tự nhiên trong dung dịch, và sau khi chúng tôi tổng hợp vật liệu, chúng tôi có thể dễ dàng kéo thành các màng mỏng có độ bền vượt trội”.

Bởi vì vật liệu tự tập hợp trong dung dịch, nó có thể được sản xuất với số lượng lớn bằng cách tăng số lượng nguyên liệu ban đầu. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể phủ lên bề mặt các lớp màng của vật liệu, mà họ gọi là 2DPA-1.

Strano cho biết: “Với sự tiến bộ này, chúng tôi có các phân tử phẳng sẽ dễ dàng thời trang hơn nhiều thành một chất liệu rất bền nhưng cực kỳ mỏng.

Nhẹ nhưng mạnh

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mô đun đàn hồi của vật liệu mới – thước đo lượng lực cần thiết để làm biến dạng vật liệu – lớn hơn từ bốn đến sáu lần so với kính chống đạn. Họ cũng phát hiện ra rằng cường độ chảy của nó, hoặc lượng lực cần thiết để phá vỡ vật liệu, gấp đôi so với thép, mặc dù vật liệu này chỉ có mật độ bằng 1/6 so với thép.

Matthew Tirrell, hiệu trưởng Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker tại Đại học Chicago , nói rằng kỹ thuật mới “thể hiện một số hóa học rất sáng tạo để tạo ra các polyme 2D liên kết này.”

Tirrell, người không tham gia vào nghiên cứu.

Một tính năng chính khác của 2DPA-1 là nó không thấm khí. Trong khi các polyme khác được làm từ các chuỗi cuộn lại với các khoảng trống cho phép khí thấm qua, thì vật liệu mới được làm từ các monome khóa lại với nhau giống như LEGO và các phân tử không thể lọt vào giữa chúng.

Strano nói: “Điều này có thể cho phép chúng tôi tạo ra các lớp phủ siêu mỏng có thể ngăn chặn hoàn toàn nước hoặc khí đi qua. “Loại lớp phủ hàng rào này có thể được sử dụng để bảo vệ kim loại trong ô tô và các phương tiện giao thông khác, hoặc các kết cấu thép”.

Strano và các sinh viên của ông hiện đang nghiên cứu chi tiết hơn cách polyme đặc biệt này có thể tạo thành các tấm 2D và họ đang thử nghiệm thay đổi cấu trúc phân tử của nó để tạo ra các loại vật liệu mới khác.

Tham khảo: “Tổng hợp không thể đảo ngược của vật liệu polyme hai chiều siêu cứng” của Yuwen Zeng, Pavlo Gordiichuk, Takeo Ichihara, Ge Zhang, Emil Sandoz-Rosado, Eric D. Wetzel, Jason Tresback, Jing Yang, Daichi Kozawa, Zhongyue Yang, Matthias Kuehne, Michelle Quien, Zhe Yuan, Xun Gong, Guangwei He, Daniel James Lundberg, Pingwei Liu, Albert Tianxiang Liu, Jing Fan Yang, Heather J. Kulik và Michael S. Strano, ngày 2 tháng 2 năm 2022, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04296-3

Nghiên cứu được tài trợ bởi Trung tâm Vận chuyển Nanofluidic tăng cường (CENT), một Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội.

Theo Scitechdaily