Nowy materiał może znaleźć zastosowanie w kamizelkach kuloodpornych czy pancerzach czołgów
Paweł Rożyński
Zespół badawczy kierowany przez naukowców z Northwestern University opracował pierwszy w historii dwuwymiarowy, mechanicznie powiązany materiał o tak niezwykłej elastyczności i wytrzymałości. W komunikacie stwierdzono, że w przyszłości można by takie materiały wykorzystać do opracowania lekkich, a jednocześnie wydajnych kamizelek kuloodpornych czy innych tego typu wytrzymałych produktów.
Koncepcję wiązań mechanicznych po raz pierwszy stworzył w latach 80. Fraser Stoddart, chemik z Northwestern University. Następnie Stoddart rozszerzył rolę tych wiązań na maszyny molekularne, umożliwiając funkcje takie jak przełączanie, obracanie, kurczenie i rozszerzanie na wiele sposobów oraz wykorzystując je do tworzenia powiązanych ze sobą struktur, co przyniosło mu Nagrodę Nobla w 2016 r.
Jak wygląda najbardziej wytrzymały materiał w historii?
Naukowcy od dziesięcioleci pracowali nad opracowaniem mechanicznie powiązanych cząsteczek z polimerami, ale bez powodzenia. – W chemii organicznej utworzenie tak zwanych „pierścieni średniej wielkości” zawierających 5–8 atomów jest dość proste. Jednak takie pierścienie są zbyt małe, aby przeciągnąć przez nie inną cząsteczkę – wyjaśnia portalowi Interesting Engineering William Dichtel, profesor chemii na Northwestern.
W każdej powtarzającej się jednostce struktury 2D powstają nowe pierścienie, których obwód wynosi 40 atomów. Osiągnięto to dzięki innowacyjnemu i nowatorskiemu podejściu, które kwestionowało dotychczasowe założenia dotyczące reakcji cząsteczek.
Madison Bardot, doktorantka w laboratorium Dichtela, opracowała nowatorski proces wykorzystujący monomery w kształcie litery X jako elementy składowe i organizujący je w wysoce uporządkowane struktury krystaliczne. Następnie wykorzystali inną cząsteczkę do utworzenia wiązań między cząsteczkami kryształu.
Powstały materiał składa się z warstw dwuwymiarowych (2D) arkuszy polimerowych, w których końce monomerów w kształcie litery X są splecione z końcami innych monomerów w kształcie litery X, a więcej monomerów jest przewleczonych przez szczeliny pomiędzy nimi. Łącznie materiał składa się ze 100 bilionów wiązań mechanicznych na centymetr kwadratowy, co stanowi najwyższą gęstość, jaką kiedykolwiek osiągnięto.
Materiał odporny i elastyczny. Może znaleźć nowe zastosowania
Co ciekawe, zespół odkrył również, że rozpuszczenie polimeru w roztworze umożliwiło złączonym monomerom odklejanie się od siebie, umożliwiając manipulowanie poszczególnymi arkuszami. – Kiedy przykłada się do polimeru niewielką siłę, staje się on niezwykle elastyczny, ale jeśli przyłożona jest większa siła, materiał staje się sztywniejszy, ponieważ wiązania mechaniczne są lokalnie rozciągane do granic możliwości. Ta właściwość nazywa się „utwardzaniem przez odkształcenie” i jest bardzo interesująca w przypadku materiałów plastycznych i wytrzymałych mechanicznie – tłumaczy Dichtel.
Poza właściwościami mechanicznymi architektura polimeru ma interesujące właściwości, które można zbadać pod kątem innych zastosowań.
Współpracownicy Dichtela z Duke University dodali ten nowo opracowany polimer do ultem, włókna z tej samej rodziny co kewlar, ale które jest odporne na ekstremalne temperatury i działanie środków chemicznych. Użycie zaledwie 2,5 proc. polimeru radykalnie zwiększyło wytrzymałość materiału. Można go wykorzystać do wykonania pancerza lub ochrony balistycznej.
Chociaż polimery zawierające wiązania mechaniczne były już syntetyzowane na małą skalę, takie podejście pomogło zespołowi Dichtela z łatwością wyprodukować prawie pół kilograma materiału. Badania zostały zaprezentowane w magazynie „Science”.
