比钢更坚固但比塑胶还轻,新型聚合物二维材料能应用于建筑支撑结构

麻省理工学院工程师们最近完成了不可能的壮举,制造出跟塑胶一样轻、但比钢还坚固的新颖二维聚合物材料,除了可作为汽车零件或手机的涂层,甚至还能作为桥梁等支撑建筑的材料。

包括塑胶在内,所有聚合物都由称为单体的一维线性连接构组成,通过在末端添加新分子以聚合成三维物体,比如矿泉水瓶。然而二维生长和三维(无序)生长在动力学上存在巨大差异,当单体旋转方向不同(比如向上或向下),便会开始往三个维度膨胀,因此尽管科学家尝试过,最后依然打消诱导聚合物形成二维片材的念头。

但根据麻省理工学院的工程师们最近提出的新聚合技术,他们改变了游戏规则,成功制造出聚芳醯胺(polyaramide)的二维片材,新材料被命名为2DPA-1。

研究人员使用名为三聚氰胺的单体在适当溶液条件下以二维结构自行生长、形成圆盘,这些圆盘相互堆栈由各层之间的氢键牢牢固定,致使结构非常稳定。

测试结果还表明,虽然2DPA-1材料密度仅钢的六分之一,但弹性模量(Elastic modulus)比防弹玻璃高4~6倍(比防弹玻璃还要难变形4~6倍),降伏强度还是钢的2倍,但重量却比塑胶还要轻。

2DPA-1另一个关键特性为不透气,由于单体像乐高积木一样锁在一起,因此气体分子难以渗入,科学家能因此创造出完全防水或防气体通过的超薄涂层,适用于制造保护汽车或手机零件的材料,或甚至媲美钢的建筑支撑结构。

团队接下来将继续微调材料,希望开拓出能大量应用的新一代聚合物二维材料。新论文发布在《自然》期刊。

(首图来源:麻省理工学院)

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