研制出比钢更强的轻质高分子材料

麻省理工学院(MIT)的化学工程师们利用聚合工艺制造出了一种比钢更坚固、像塑料一样轻的材料，可以大量生产。这种材料是一种二维聚合物，可以自我组装成薄片，不像所有其他聚合物只能形成一维的意大利面状链。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。

这项新研究的资深作者、麻省理工学院Carbon P. Dubbs化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说，这种材料可以用作汽车部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。

斯特拉诺说:“我们通常不认为塑料是可以用来支撑建筑物的东西，但有了这种材料，你可以实现新事物。”“它具有非常不同寻常的特性，我们对此感到非常兴奋。”

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，他们在今天发表的一篇论文中描述了这一过程自然．麻省理工学院博士后曾宇文是这项研究的主要作者。

两个维度

聚合物，包括所有的塑料，由称为单体的积木链组成。这些链通过在末端添加新分子来生长。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。

聚合物科学家长期以来一直假设，如果聚合物可以被诱导生长成二维薄片，它们应该会形成极其坚固、轻质的材料。然而，在这一领域几十年的工作导致的结论是，不可能创建这样的表。其中一个原因是，如果只有一个单体在生长板的平面外向上或向下旋转，材料将开始在三维空间中膨胀，并且片状结构将失去。

然而，在这项新的研究中，斯特拉诺和他的同事们提出了一种新的聚合工艺，使他们能够生成一种称为聚酰胺的二维薄片。他们使用一种叫做三聚氰胺的化合物来制造单体，这种化合物含有碳原子和氮原子环。在适当的条件下，这些单体可以在二维空间中生长，形成圆盘。这些圆盘相互堆叠，由层间的氢键连接在一起，使结构非常稳定和坚固。

斯特拉诺说:“我们可以做一个像意大利面一样的分子，而不是像薄片一样的分子平面，在那里我们让分子在二维上连接在一起。”“这种机制在溶液中自发发生，在我们合成材料后，我们可以很容易地自旋涂层薄膜，这些薄膜非常坚固。”

由于材料在溶液中自组装，只需增加起始材料的量就可以大量生产。研究人员表示，他们可以在表面覆盖一层他们称之为2DPA-1的材料薄膜。

斯特拉诺说:“有了这一进展，我们有了平面分子，将更容易形成非常坚固但极薄的材料。”

轻但劲大

研究人员发现，这种新材料的弹性模量(一种衡量材料变形所需力的指标)比防弹玻璃的弹性模量大4到6倍。他们还发现，尽管这种材料的密度只有钢的六分之一左右，但它的屈服强度(即破坏材料所需的力)是钢的两倍。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长Matthew Tirrell说:“这些新型聚合物的一个重要方面是，它们易于在溶液中加工，这将促进大量高强度重量比非常重要的新应用，例如新型复合材料或扩散屏障材料。”蒂雷尔没有参与这项研究。

2DPA-1的另一个关键特征是它不透气。其他聚合物是由带有空隙的螺旋链制成的，可以让气体渗透进来，而这种新材料是由像乐高积木一样锁在一起的单体制成的，分子无法在它们之间移动。

斯特拉诺说:“这可以让我们创造出可以完全阻止水或气体通过的超薄涂层。”“这种屏障涂层可用于保护汽车和其他车辆中的金属，或钢结构。”

斯特拉诺和他的学生们现在正在更详细地研究这种特殊的聚合物如何能够形成2D薄片，他们正在试验改变其分子组成，以创造其他类型的新材料。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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