Создан «невозможный» 2D-материал: легкий как пластик и прочнее стали

Полимеры — это универсальные материалы, наиболее известным примером которой можно назвать пластмассу. Под микроскопом полимеры обычно выглядят как волнистые нити, одномерные цепочки звеньев (мономеры), но они могут быть объединены в трехмерные формы с помощью литья под давлением.

Заставить полимеры связываться друг с другом с образованием двумерных листов оказалось на удивление сложно. Хотя некоторые команды добились определенного успеха, полученные материалы имеют недостатки, которые снижают их прочность или другие желаемые свойства.

Для нового исследования ученые Массачусетского технологического института разработали новый метод производства, который позволяет полимерам формировать 2D-листы, сохраняя при этом прочность. Команда начала с меламина в качестве мономера, у которого структура углеродных и азотных колец. В растворе, находящемся в правильных условиях, молекулы растут боком в форме дисков, которые затем укладываются друг на друга, а водородные связи удерживают слои вместе.

«Вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, мы можем сделать пластинчатую молекулярную плоскость, где заставляем молекулы соединяться друг с другом в двух измерениях», — сказал Майкл Страно, старший автор исследования. «Этот механизм происходит спонтанно в растворе, и после синтезирования материала мы можем легко наносить методом центрифугирования тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью».

Команда назвала материал 2DPA-1, и он обладает несколькими впечатляющими свойствами. Несмотря тонкость и легкость полимера, его предел текучести в два раза выше, чем у стали, и для деформации требуется приложить в 6 раз больше силы, чем для пуленепробиваемого стекла. Он также полностью непроницаем для газов и жидкостей.

Обладая такими способностями, 2DPA-1 может стать легким, прочным, водонепроницаемым покрытием для транспортных средств, электронных устройств или даже использоваться в качестве строительного материала.

«Обычно мы не думаем о пластике как о чем-то, что можно использовать для строительства здания, но с этим материалом можно создавать новые вещи», — сказал Страно. «У него очень необычные свойства, и мы очень этому рады».

По словам команды метод производства легко масштабируется и может быть изменен для изготовления других типов материалов.

Исследование опубликовано в журнале Nature.