Die neue Substanz ist das Ergebnis eines Kunststücks, das als unmöglich galt: die Polymerisation eines Materials in zwei Dimensionen.
Mit Hilfe eines neuartigen Polymerisationsverfahrens haben Chemieingenieure des MIT ein neues Material entwickelt, das stärker als Stahl und so leicht wie Kunststoff ist und problemlos in großen Mengen hergestellt werden kann.
Bei dem neuen Material handelt es sich um ein zweidimensionales Polymer, das sich selbst zu Platten zusammensetzt, im Gegensatz zu allen anderen Polymeren, die eindimensionale, spaghettiartige Ketten bilden. Bislang hielten es die Wissenschaftler für unmöglich, Polymere zur Bildung von 2D-Folien zu veranlassen.
Ein solches Material könnte als leichte, haltbare Beschichtung für Autoteile oder Mobiltelefone oder als Baumaterial für Brücken oder andere Strukturen verwendet werden, sagt Michael Strano, der Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering am MIT und Hauptautor der neuen Studie.
"Normalerweise denkt man bei Kunststoffen nicht an etwas, das man zum Stützen eines Gebäudes verwenden kann, aber mit diesem Material kann man neue Dinge ermöglichen", sagt er. "Es hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften und wir sind sehr begeistert davon.
Die Forscher haben zwei Patente für das Verfahren zur Herstellung des Materials angemeldet, das sie in einem heute in Nature erschienenen Artikel beschreiben. Der MIT-Postdoc Yuwen Zeng ist der Hauptautor der Studie.
Zwei Dimensionen Polymere, zu denen alle Kunststoffe gehören, bestehen aus Ketten von Bausteinen, die Monomere genannt werden. Diese Ketten wachsen, indem neue Moleküle an ihre Enden angehängt werden. Einmal geformt, können Polymere im Spritzgussverfahren zu dreidimensionalen Objekten, wie z. B. Wasserflaschen, geformt werden.
Polymerwissenschaftler stellen seit langem die Hypothese auf, dass Polymere, wenn man sie dazu bringen könnte, in eine zweidimensionale Schicht zu wachsen, extrem starke und leichte Materialien bilden sollten. Nach jahrzehntelanger Arbeit auf diesem Gebiet kam man jedoch zu dem Schluss, dass es unmöglich war, solche Platten herzustellen. Ein Grund dafür war, dass sich das Material in drei Dimensionen ausdehnt, wenn nur ein Monomer aus der Ebene der wachsenden Platte nach oben oder unten rotiert, und die plattenartige Struktur verloren geht.
In der neuen Studie haben Strano und seine Kollegen jedoch ein neues Polymerisationsverfahren entwickelt, mit dem sie eine zweidimensionale Folie, ein so genanntes Polyamid, erzeugen können. Als Monomerbausteine verwenden sie eine Verbindung namens Melamin, die einen Ring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen enthält. Unter den richtigen Bedingungen können diese Monomere in zwei Dimensionen wachsen und Scheiben bilden. Diese Scheiben stapeln sich übereinander und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Schichten zusammengehalten, was die Struktur sehr stabil und fest macht.
"Anstatt ein spaghettiartiges Molekül zu erzeugen, können wir eine flächige Molekülebene herstellen, in der sich die Moleküle in zwei Dimensionen miteinander verhaken", erklärt Strano. "Dieser Mechanismus läuft spontan in Lösung ab, und nachdem wir das Material synthetisiert haben, können wir ganz einfach dünne Schichten aufschleudern, die außerordentlich stark sind."
Da sich das Material in Lösung selbst zusammensetzt, kann es in großen Mengen hergestellt werden, indem einfach die Menge der Ausgangsstoffe erhöht wird. Die Forscher zeigten, dass sie Oberflächen mit Filmen aus dem Material beschichten können, das sie 2DPA-1 nennen.
"Mit diesem Fortschritt haben wir planare Moleküle, die viel einfacher zu einem sehr starken, aber extrem dünnen Material verarbeitet werden können", sagt Strano.
Leicht, aber stark Die Forscher fanden heraus, dass der Elastizitätsmodul des neuen Materials - ein Maß dafür, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein Material zu verformen - vier- bis sechsmal höher ist als der von kugelsicherem Glas. Sie fanden auch heraus, dass die Streckgrenze, d. h. die Kraft, die erforderlich ist, um das Material zu brechen, doppelt so hoch ist wie die von Stahl, obwohl das Material nur etwa ein Sechstel der Dichte von Stahl hat.
Matthew Tirrell, Dekan der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago, sagt, dass die neue Technik "eine sehr kreative Chemie zur Herstellung dieser gebundenen 2D-Polymere darstellt".
"Ein wichtiger Aspekt dieser neuen Polymere ist, dass sie sich leicht in Lösung verarbeiten lassen, was zahlreiche neue Anwendungen ermöglichen wird, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis wichtig ist, wie z. B. neue Verbundwerkstoffe oder Diffusionsbarrieren", so Tirrell, der nicht an der Studie beteiligt war.
Eine weitere Schlüsseleigenschaft von 2DPA-1 ist, dass es für Gase undurchlässig ist. Während andere Polymere aus gewundenen Ketten bestehen, die Lücken aufweisen, durch die Gase eindringen können, besteht das neue Material aus Monomeren, die sich wie LEGOs ineinander verhaken, so dass keine Moleküle zwischen sie gelangen können.
"Dies könnte es uns ermöglichen, ultradünne Beschichtungen herzustellen, die das Eindringen von Wasser oder Gasen vollständig verhindern", sagt Strano. "Diese Art von Barrierebeschichtung könnte zum Schutz von Metall in Autos und anderen Fahrzeugen oder von Stahlkonstruktionen verwendet werden.
Strano und seine Studenten untersuchen nun genauer, wie dieses spezielle Polymer in der Lage ist, 2D-Schichten zu bilden, und sie experimentieren mit der Veränderung seines molekularen Aufbaus, um andere Arten neuartiger Materialien zu schaffen.
Weitere Informationen:
https://news.mit.edu/2022/polymer-lightweight-material-2d-0202
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