科学者は、鋼鉄と同等の、強力だが重くないプラスチックを作成しました。化学者がポリマーと呼ぶことがあるプラスチックは、モノマーと呼ばれる短い繰り返し単位で構成される長鎖分子の一種です。同じ強度の以前のポリマーとは異なり、新しい材料は膜の形で提供されます。また、市場で最も不透過性のプラスチックよりも 50 倍高い気密性を持っています。このポリマーのもう 1 つの注目すべき点は、合成が簡単であることです。プロセスは室内で行われます。このポリマーは、わずかナノメートルの厚さの大きなシートで大量生産することができます。研究者らは、その発見を2月2日付けでNature誌に報告しています。
問題の材料は、アミド分子単位の糸状ネットワークであるポリアミドと呼ばれます（アミドは、酸素が結合した炭素原子に結合した窒素化学基です）。そのようなポリマーには、防弾チョッキの製造に使用される繊維であるケブラーや、防火チョッキの製造に使用される繊維であるノーメックスが含まれます。ケブラーと同様に、新しい素材のポリアミド分子は鎖の全長に沿って水素結合によって互いに結合されており、これにより素材の全体的な強度が向上します。
「それらはベルクロのようにくっつきます」と筆頭著者でMIT化学エンジニアのマイケル・ストラノ氏は言う。材料を引き裂くには、個々の分子鎖を切断するだけでなく、ポリマー束全体に浸透する巨大な分子間水素結合を克服する必要がある。
さらに、新しいポリマーは自動的にフレークを形成することができます。これにより、材料を薄膜にしたり、薄膜の表面コーティングとして使用したりできるため、材料の加工が容易になります。従来のポリマーは、直鎖として成長するか、分岐と分岐を繰り返す傾向があります。しかし、Strano のポリマーは 2D で独自の方法で成長し、ナノシートを形成します。
「一枚の紙に集約できますか？」ほとんどの場合、私たちの仕事がなければそれを行うことはできないことがわかりました。」とストラノ氏は言いました。「そこで、私たちは新しいメカニズムを見つけました。」この最近の研究で、彼のチームはこの 2 次元の集計を可能にするというハードルを克服しました。
ポリアミドが平面構造を持つ理由は、ポリマーの合成に自己触媒テンプレートと呼ばれる機構が関与しているためです。ポリマーが伸びてモノマーの構成要素にくっつくと、成長するポリマーのネットワークによって後続のモノマーが正しい方向にのみ結合し、モノマーの結合が強化されます。研究者らは、溶液中のポリマーをウェーハ上に簡単にコーティングして、厚さ 4 ナノメートル未満のインチ幅の積層体を作成できることを実証しました。これは、厚さのほぼ 100 万分の 1 です。通常のオフィス用紙。
ポリマー材料の機械的特性を定量化するために、研究者らは、細い針で材料の吊り下げられたシートに穴を開けるのに必要な力を測定しました。このポリアミドは実際、パラシュートの製造に使用される生地であるナイロンなどの従来のポリマーよりも硬いです。驚くべきことに、この超強力ポリアミドのネジを外すには、同じ厚さの鋼鉄の 2 倍の力が必要です。ストラノによれば、この物質は、車のベニヤなどの金属表面の保護コーティングとして、またはフィルターとして使用できます。後者の機能では、理想的なフィルター膜は薄くても、最終供給に小さな迷惑な汚染物質を漏らすことなく高圧に耐えられる十分な強度が必要であり、このポリアミド素材に最適です。
将来的には、ストラノ氏はこの重合法をこのケブラー類似体を超えてさまざまなポリマーに拡張したいと考えています。「ポリマーは私たちの周りにあります。ポリマーはあらゆることを行ってくれます。」と彼は言いました。さまざまな種類のポリマーを、電気や光を通すことができる珍しいポリマーも含めて、さまざまな表面を覆うことができる薄膜に変えることを想像してみてください。「この新しいメカニズムのおかげで、おそらく他の種類のポリマーも使用できるようになるでしょう。」と彼は付け加えました。スタノは言った。
プラスチックに囲まれた世界において、機械的特性が普通とはかけ離れた別の新しいポリマーに社会が興奮するのには理由がある、とストラノ氏は述べた。このアラミドは非常に耐久性があり、塗料から袋、食品包装に至るまで、日常的に使用されるプラスチックを置き換えることができることを意味する。ストラノ氏は、持続可能性の観点から見ると、この超強力 2D ポリマーは世界をプラスチックから解放するための正しい方向への一歩であると付け加えました。
Shi En Kim (通常はキムと呼ばれています) は、マレーシア生まれのフリーランス サイエンス ライターであり、ポピュラー サイエンス 2022 年春号の編集インターンです。彼女は、クモの巣 (人間やクモ自体) の風変わりな用途からゴミ収集業者に至るまで、幅広いテーマについて執筆しています。宇宙空間で。
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投稿日時: 2022 年 5 月 19 日