Zespół naukowców z Northwestern University opracował pierwszy na świecie dwuwymiarowy (2D) polimer mechanicznie połączony, wykazujący niezwykłą elastyczność i wytrzymałość. Materiał, przypominający wyglądem ogniwa kolczugi, otwiera drzwi do stworzenia ultralekkich, a zarazem wytrzymałych struktur ochronnych, takich jak kamizelki kuloodporne czy inne zastosowania wymagające wysokiej odporności na uszkodzenia mechaniczne.
Nowa jakość w świecie polimerów
Prace badawcze opublikowane 17 stycznia w czasopiśmie Science stanowią kamień milowy w dziedzinie chemii. Opracowany polimer zawiera rekordową liczbę 100 bilionów wiązań mechanicznych na centymetr kwadratowy, co nadaje mu wyjątkowe właściwości.
– To przełomowa struktura, która może rozpraszać siły w różnych kierunkach, dzięki czemu jej rozerwanie wymaga zniszczenia licznych wiązań naraz – podkreśla prof. William Dichtel, kierownik badań.
Wyjątkowość materiału leży nie tylko w jego strukturze, ale również w innowacyjnej metodzie syntezy. Naukowcy stworzyli ten polimer, używając specjalnych monomerów w kształcie litery “X”, które zostały zorganizowane w precyzyjną strukturę krystaliczną, a następnie połączone z innymi cząsteczkami, tworząc gęstą sieć wiązań mechanicznych. Rezultatem jest polimer składający się z wielu warstw międzyblokowanych arkuszy 2D, które pozostają zaskakująco elastyczne mimo sztywnej struktury.
Wytrzymałość i potencjalne zastosowania
Dzięki właściwościom wyjątkowej elastyczności i wytrzymałości, nowy polimer już teraz wykazuje potencjał do użycia w zaawansowanych kompozytach. Zespół naukowców z Duke University, współpracujący z grupą Dichtela, zintegrował ten materiał z włóknami Ultem – jednym z najmocniejszych tworzyw sztucznych o wysokiej odporności na ekstremalne temperatury oraz chemikalia. Dodanie zaledwie 2,5% polimeru do kompozytu Ultem znacząco zwiększyło jego wytrzymałość i twardość.
Prof. Matthew Becker z Duke University liczy, że nowy polimer znajdzie zastosowanie w produkcji ultralekkich pancerzy balistycznych oraz tkanin ochronnych.
– Dalsze analizy wskazują, że niemal każda zmierzona przez nas właściwość tego materiału okazała się wyjątkowa – podsumował Dichtel.
Proces, który może zmienić przemysł
Opracowanie nowego polimeru wymagało przemyślenia dotychczasowych założeń dotyczących syntezy chemicznej. Madison Bardot, doktorantka z zespołu Dichtela, zaprojektowała proces, który umożliwił formowanie wiązań mechanicznych na skalę nigdy wcześniej nieosiągalną w molekułach krystalicznych.
– To był pomysł obarczony dużym ryzykiem, ale przyniosł znakomite efekty – zaznacza prof. Dichtel.
Struktura nowego materiału została potwierdzona przy użyciu zaawansowanych technik mikroskopii elektronowej na Uniwersytecie Cornella, którymi kierował prof. David Muller.
Ciekawym aspektem polimeru jest jego zdolność do rozdzielania się na poszczególne warstwy w roztworze. Po rozpuszczeniu kryształów, każda z dwuwymiarowych warstw zachowuje swoją integralność, co otwiera nowe możliwości manipulacji tym materiałem.
Dziedzictwo naukowe Northwestern University
Prace nad nowym polimerem są głęboko zakorzenione w tradycji badawczej Northwestern University. Autorzy badania dedykowali swoje odkrycie zmarłemu w grudniu zeszłego roku sir Fraserowi Stoddartowi, chemikowi, który w latach 80. XX wieku wprowadził koncepcję wiązań mechanicznych. Jego prace nad molekularnymi maszynami przyniosły mu Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku. Prof. Dichtel, dawny współpracownik Stoddarta, podkreśla, że nowe metody syntezy rozwinięte przez jego zespół stanowią rozwinięcie i praktyczne zastosowanie idei Stoddarta w polimerach wielkocząsteczkowych.
Przyszłość materiałów polimerowych
Nowy polimer, poza potencjalnym zastosowaniem w ochronie osobistej, może również posłużyć jako baza do projektowania innych innowacyjnych materiałów, od lekkich struktur przemysłowych po zaawansowaną elektronikę. Skuteczność procesu produkcyjnego pozwala na wytwarzanie tego materiału w dużych ilościach, co stanowi ważny krok w kierunku komercjalizacji.
Wsparcie badań zapewniła Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony (DARPA) oraz Międzynarodowy Instytut Nanotechnologii w Northwestern University. Publikacja podkreśla, że nowe podejście do syntezy polimerów mechanicznie połączonych może zrewolucjonizować wiele gałęzi przemysłu, oferując przełomowe właściwości materiałowe w skali nano.
źródło: sciencedaily.com, northwestern.edu