Команда Aresearch под руководством учёных из Северо-Западного университета США разработала первый в истории двумерный механически сцепленный материал с высокой гибкостью и прочностью. В будущем его можно будет использовать для создания лёгких, но высокоэффективных бронежилетов и подобных средств защиты.
В 1980-х годах Фрейзер Стоддарт, тогда ещё химик из Северо-Западного университета, впервые представил концепцию механических связей. Затем он расширил роль этих связей в молекулярных машинах, включив в них функции, как переключение, вращение, сжатие и расширение различными способами, и использовал их для создания взаимосвязанных структур, что принесло ему Нобелевскую премию в 2016 году.
Исследователи уже несколько десятилетий работают над созданием механически сцепленных молекул с полимерами, но безуспешно. «В органической химии довольно просто сформировать так называемые кольца среднего размера, состоящие из 5–8 атомов. Но такие кольца слишком малы, чтобы пропустить через них другую молекулу» – поясняет Уильям Дихтель, профессор химии Северо-Западного университета.
«В нашей работе на каждом повторе 2D-структуры образуют новые кольца, размер которых составляет 40 атомов. Это было достигнуто с помощью инновационного и новаторского подхода, который ставит под сомнение предположения о том, как реагируют молекулы».
Читайте: Экологически чистый биоразлагаемый пластик – Прочный и простой в производстве
Новый процесс для высокоупорядоченных структур
Мэдисон Бардо, кандидат наук в лаборатории Дихтеля, разработала новый процесс, используя Х-образные мономеры в качестве строительных блоков и организуя их в высокоупорядоченные кристаллические структуры.
Затем исследователи использовали другую молекулу для создания связей между молекулами кристалла. Полученный материал состоял из слоёв двумерных (2D) полимерных листов, где концы Х-образных мономеров соединены с концами других Х-образных мономеров, а через промежутки между ними пропущены другие мономеры.
В совокупности полученный материал состоит из 100 триллионов механических связей на квадратный сантиметр, что является самой высокой плотностью из когда-либо достигнутых. Интересно, при растворении полимера в растворе, мономеры отслаиваются друг от друга, что позволяет манипулировать отдельными их листами.
«Многие высококристаллические вещества хрупки, но наш полимер имеет правильную, упорядоченную структуру и при этом очень гибок, потому что каждая его механическая связь имеет немного пространства для движения» – пояснил Дихтель.
«Когда к полимеру прикладывается небольшое усилие, он становится чрезвычайно гибким, но, если приложить большее усилие, материал становится более жёстким, поскольку механические связи растягиваются до предела. Это свойство называется «деформационным упрочнением» и представляет большой интерес для вязких и механически прочных материалов».
Помимо механических свойств, архитектура этих полимеров обладает интересными свойствами, которые можно исследовать для новых применений.
Очень прочный новый полимер
Сотрудники Дихтеля из Университета Дьюка добавили, новый разработанный полимер – это волокно из того же семейства, что и кевлар, но способное выдерживать экстремальные температуры и химическое воздействие.
Использование всего 2,5% этого полимера значительно повысило прочность и жёсткость кевлара, что может быть использовано для изготовления брони или баллистической защиты. Хотя полимеры, содержащие механические связи, ранее синтезировались в небольших объёмах, новый подход помог команде Дихтеля легко изготовить почти полкилограмма материала. Это также показывает, что новый подход его изготовления хорошо масштабируется.
«Возможно, самым сложным аспектом было доказать самим себе, что у нас действительно есть предложенная механически взаимосвязанная структура – потребовалась команда специалистов разного профиля – химиков-синтетиков, электронных микроскопистов, инженеров по полимерам – чтобы понять, как сделать материал, а затем как его изучить» – добавил Дихтель.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU