比鋼更堅固但比塑膠還輕,新型聚合物二維材料能應用於建築支撐結構

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 11 日 8:21 | 分類 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


麻省理工學院工程師們最近完成了不可能的壯舉,製造出跟塑膠一樣輕、但比鋼還堅固的新穎二維聚合物材料,除了可做為汽車零件或手機的塗層,甚至還能做為橋梁等支撐建築的材料。

包括塑膠在內,所有聚合物都由稱為單體的一維線性鏈結構組成,透過在末端添加新分子以聚合成三維物體,比如寶特瓶。然而二維生長和三維(無序)生長在動力學上存在巨大差異,當單體旋轉方向不同(比如向上或向下),便會開始往三個維度膨脹,因此儘管科學家嘗試過,最後依然打消誘導聚合物形成二維片材的念頭。

但根據麻省理工學院的工程師們最近提出的新聚合技術,他們改變了遊戲規則,成功製造出聚芳醯胺(polyaramide)的二維片材,新材料被命名為 2DPA-1。

研究人員使用名為三聚氰胺的單體在適當溶液條件下以二維結構自行生長、形成圓盤,這些圓盤相互堆疊由各層之間的氫鍵牢牢固定,致使結構非常穩定。

測試結果還表明,雖然 2DPA-1 材料密度僅鋼的六分之一,但彈性模量(Elastic modulus)比防彈玻璃高 4~6 倍(比防彈玻璃還要難變形 4~6 倍),降伏強度還是鋼的 2 倍,但重量卻比塑膠還要輕。

2DPA-1 另一個關鍵特性為不透氣,由於單體像樂高積木一樣鎖在一起,因此氣體分子難以滲入,科學家能因此創造出完全防水或防氣體通過的超薄塗層,適用於製造保護汽車或手機零件的材料,或甚至媲美鋼的建築支撐結構。

團隊接下來將繼續微調材料,希望開拓出能大量應用的新一代聚合物二維材料。新論文發表在《自然》期刊。

(首圖來源:麻省理工學院