この新物質は、不可能と思われていた二次元での重合という偉業を成し遂げたものである。
MITの化学エンジニアは、新しい重合プロセスを用いて、鉄よりも強く、プラスチックのように軽い、大量に簡単に製造できる新材料を作り出した。
この新材料は、一次元のスパゲッティ状の鎖を形成する他のすべてのポリマーとは異なり、自己組織化してシート状になる二次元ポリマーである。これまで科学者たちは、高分子が2次元シートを形成することは不可能だと考えていた。
このような材料は、自動車部品や携帯電話の軽量で耐久性のあるコーティング剤、あるいは橋などの建築材料として利用できるかもしれない、とMITの化学工学部教授で今回の研究の主執筆者であるマイケル・ストラノは語っている。
「プラスチックが建物を支えるものだとは通常考えませんが、この素材を使えば新しいことが可能になります。「この素材は、非常に珍しい特性を持っており、私たちはこの点に非常に興奮しています。
研究者らは、この材料の生成に用いたプロセスについて2件の特許を申請しており、その内容は本日付の米国科学アカデミー紀要に掲載された論文で述べられています。 自然. MITのポスドク、Yuwen Zengがこの研究の主執筆者です。
二次元 プラスチックに含まれる高分子は、モノマーと呼ばれるブロックの鎖で構成されています。この鎖は、末端に新しい分子を加えることで成長していきます。一度形成されたポリマーは、射出成形によって水筒のような3次元の物体に成形することができる。
高分子科学者たちは、高分子を2次元のシート状に成長させることができれば、非常に強くて軽い材料ができるはずだと、長い間考えてきた。しかし、何十年にもわたるこの分野での研究の結果、そのようなシートを作ることは不可能であるという結論に至った。その理由の1つは、成長するシートの平面から外れて、たった1つのモノマーが上下に回転するだけで、材料は3次元的に膨張し始め、シート状の構造が失われてしまうからである。
しかし、今回の研究でストラノらは、ポリアミドと呼ばれる2次元シートを生成する新しい重合プロセスを考え出した。モノマーの構成要素には、炭素原子と窒素原子の環を持つメラミンという化合物を使用する。このモノマーは、適切な条件下で2次元的に成長し、円盤を形成することができる。この円盤は、層間の水素結合によって互いに積み重なり、非常に安定で強固な構造となっている。
「スパゲッティのような分子を作るのではなく、シート状の分子平面を作って、分子同士を2次元的に引っ掛けさせることができるのです」とストラノは言う。「このメカニズムは溶液中で自発的に起こるもので、この材料を合成した後は、非常に強度の高い薄膜を簡単にスピンコートすることができます」。
この材料は、溶液中で自己組織化するので、出発材料の量を増やすだけで、大量に作ることができます。研究者らは、この材料を2DPA-1と名付け、その膜で表面をコーティングできることを明らかにした。
「今回の進歩により、平面状分子ができたので、非常に強度が高く、かつ非常に薄い材料を作ることが容易になりました」とStrano教授は言う。
軽くても強い 研究チームは、この新材料の弾性率（材料を変形させるのに必要な力の大きさを表す指標）が防弾ガラスの4倍から6倍であることを発見した。また、密度が鋼鉄の6分の1しかないにもかかわらず、降伏強度（材料を破壊するのに必要な力）は鋼鉄の2倍であることも判明した。
シカゴ大学プリツカー分子工学部の学部長であるマシュー・ティレルは、この新しい技術について、「結合した2次元ポリマーを作るために、非常に創造的な化学を具現化したものです」と語っています。
"これらの新しいポリマーの重要な側面は、溶液中で容易に加工できることで、新しい複合材料や拡散バリアー材料など、高い強度重量比が重要な多くの新しい用途を促進するでしょう。"と、この研究に関与していないTirrellは言っています。
2DPA-1のもうひとつの大きな特徴は、気体を通さないことである。 他のポリマーは、隙間のあるコイル状の鎖からできているため、気体が透過してしまうが、この新材料は、レゴのようにロックされたモノマーからできており、その間に分子が入り込むことはない。
「水やガスの浸入を完全に防ぐ極薄のコーティングができるかもしれません」とストラノは言う。"このようなバリアーコーティングは、自動車やその他の乗り物の金属、あるいは鉄鋼構造物の保護に使えるかもしれません"。
ストラノと彼の学生達は、現在、この特定のポリマーが2Dシートを形成できる仕組みをさらに詳しく研究していて、その分子構成を変えて、他のタイプの新材料を作る実験をしています。
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