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二维聚合物有助于创造一种比钢更坚固的轻质新材料 精选

已有 5668 次阅读 2022-2-4 19:59 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

二维聚合物有助于创造一种比钢更坚固的轻质新材料

诸平

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Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

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The new material is a two-dimensional polymer that self-assembles into sheets and could be used as a lightweight, durable coating for car parts or cell phones, or as a building material for bridges or other structures. Credits: Image: polymer film courtesy of the researchers; Christine Daniloff, MIT

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT News Office202222日提供的消息,二维聚合物有助于创造一种比钢更坚固的轻质新材料(Two-dimensional polymer helps create a new lightweight material that is stronger than steel)。

麻省理工学院(MIT)的化学工程师利用一种新型聚合工艺,发明了一种比钢更坚固、和塑料一样轻的新材料,而且可以轻松大批量生产。这种新材料是一种可以自我组装成薄片的二维聚合物,不像其他聚合物那样可以形成一维的、意大利面状的链(spaghetti-like chains)。到目前为止,科学家们一直认为不可能诱导聚合物形成2D薄片。相关研究结果于202222日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Yuwen ZengPavlo GordiichukTakeo IchiharaGe ZhangEmil Sandoz-RosadoEric D. WetzelJason TresbackJing YangDaichi KozawaZhongyue YangMatthias KuehneMichelle QuienZhe YuanXun GongGuangwei HeDaniel James LundbergPingwei LiuAlbert Tianxiang LiuJing Fan YangHeather J. KulikMichael S. Strano. Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material. Nature, 2022, 602: 91–95. Published: 02 February 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04296-3. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04296-3

参与此项研究的除了MIT的研究人员之外,还有来自美国陆军作战能力发展司令部,陆军研究实验室阿伯丁试验场(U.S. Army Combat Capabilities Development Command, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD, USA)以及美国哈佛大学纳米尺度系统中心(Center for Nanoscale Systems, Harvard University, USA)的研究人员。

这种材料可以用作汽车零件或手机的轻质耐用涂层,也可以用作桥梁或其他结构的建筑材料,MIT的卡本·达布斯化学工程教授、这项新研究的通讯作者迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说。他说:“我们通常不认为塑料可以用来支撑建筑,但有了这种材料,你可以创造新的东西。它有非常不寻常的特性,我们对此非常兴奋。”

研究人员已经为他们用来生成这种材料的过程申请了两项专利,他们发表在《自然》杂志上的论文中描述了这一过程。MIT博士后曾宇文(Yuwen Zeng音译)是这项研究的第一作者。

二维材料(Two dimensions

聚合物,包括所有塑料,由称为单体的结构单元链组成。这些链通过在末端添加新的分子来生长。聚合物一旦成型,就可以用注射成型的方法塑造成三维物体,比如水瓶。

长期以来,聚合物科学家一直假设,如果聚合物能够被诱导生长成一个二维的薄片,它们应该会形成非常坚固、轻质的材料。然而,这一领域几十年的研究工作得出的结论是,不可能创建这样的薄片。其中一个原因是,如果只有一个单体旋转向上或向下,脱离生长薄片的平面,材料就会开始三维扩张,片状结构就会消失。

然而,在新的研究中,迈克尔·斯特拉诺和他的同事提出了一种新的聚合过程,使他们能够生成一种叫做聚芳酰胺(polyaramide)的二维薄片。对于单体构建块,他们使用一种叫做三聚氰胺(melamine)的化合物,它包含一个碳和氮原子环。在合适的条件下,这些单体可以在二维空间中生长,形成圆盘。这些圆盘堆叠在一起,由层间的氢键连接在一起,使结构非常稳定和坚固。

迈克尔·斯特拉诺说:“我们可以制造一个片状的分子平面,而不是制造一个意大利面那样的分子链。在这个平面上,我们可以让分子在二维空间中相互连接在一起。这种机制在溶液中自发发生,在我们合成材料后,我们可以很容易地旋转涂覆非常坚固的薄膜。”

由于这种材料在溶液中自组装,只要增加初始材料的数量,它就可以大量生产。研究人员表示,他们可以在表面涂上这种材料的薄膜,他们将此材料称之为2DPA-1

迈克尔·斯特拉诺说:“有了这一进步,我们就有了平面分子,它将更容易形成一种非常强但非常薄的材料。”

轻而坚固(Light but strong

研究人员发现,这种新材料的弹性模量(用来衡量材料变形所需的力)是防弹玻璃的4~6倍。他们还发现,尽管这种材料的密度只有钢的六分之一,但它的屈服强度(即破坏材料所需的力)是钢的两倍。

2DPA-1的另一个关键特征是气体不渗透。其他聚合物是由带间隙的螺旋链制成的,可以让气体渗透进来,而新材料是由单体制成的,像乐高积木(LEGOs)一样锁在一起,分子不能在它们之间进入。

迈克尔·斯特拉诺说:“这可以让我们创造出完全阻止水或气体通过的超薄涂层。这种屏障涂层可以用来保护汽车和其他车辆的金属或钢结构。”

迈克尔·斯特拉诺和他的学生现在正在更详细地研究这种特殊的聚合物是如何形成二维薄片的,他们正在试验改变它的分子组成,以创造其他类型的新型材料。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Elastic polymer that is both stiff and tough, resolves long-standing quandary

Abstract

Polymers that extend covalently in two dimensions have attracted recent attention1,2 as a means of combining the mechanical strength and in-plane energy conduction of conventional two-dimensional (2D) materials3,4 with the low densities, synthetic processability and organic composition of their one-dimensional counterparts. Efforts so far have proven successful in forms that do not allow full realization of these properties, such as polymerization at flat interfaces5,6 or fixation of monomers in immobilized lattices7,8,9. Another frequently employed synthetic approach is to introduce microscopic reversibility, at the cost of bond stability, to achieve 2D crystals after extensive error correction10,11. Here we demonstrate a homogenous 2D irreversible polycondensation that results in a covalently bonded 2D polymeric material that is chemically stable and highly processable. Further processing yields highly oriented, free-standing films that have a 2D elastic modulus and yield strength of 12.7±3.8 gigapascals and 488±57 megapascals, respectively. This synthetic route provides opportunities for 2D materials in applications ranging from composite structures to barrier coating materials.



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4 吴斌 黄永义 晏成和 徐耀

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