Vật liệu mới này là một loại polymer hai chiều, được làm từ melamine , tự lắp ráp thành các tấm, khác với tất cả các loại polymer khác, vốn tạo thành các chuỗi một chiều, giống như sợi mì. Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn tin rằng việc tạo ra các polymer để tạo thành các tấm 2D là điều không thể.
Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết vật liệu như vậy có thể được sử dụng làm lớp phủ nhẹ, bền cho các bộ phận ô tô hoặc điện thoại di động, hoặc làm vật liệu xây dựng cho cầu hoặc các công trình khác.
“Chúng tôi thường không nghĩ nhựa là thứ bạn có thể dùng để hỗ trợ một tòa nhà, nhưng với vật liệu này, bạn có thể tạo ra những thứ mới”, ông nói. “Nó có những đặc tính rất khác thường và chúng tôi rất phấn khích về điều đó”.
Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin hai bằng sáng chế cho quy trình mà họ sử dụng để tạo ra vật liệu này, được mô tả trong một bài báo được đăng tải hôm nay trên tạp chí Nature . Yuwen Zeng, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT, là tác giả chính của nghiên cứu.
Hai kích thước
Polyme, bao gồm tất cả các loại nhựa, bao gồm các chuỗi khối xây dựng được gọi là monome. Các chuỗi này phát triển bằng cách thêm các phân tử mới vào đầu của chúng. Sau khi hình thành, polyme có thể được định hình thành các vật thể ba chiều, chẳng hạn như chai nước, bằng cách sử dụng khuôn ép phun.
Các nhà khoa học nghiên cứu về polyme từ lâu đã đưa ra giả thuyết rằng nếu polyme có thể được kích thích phát triển thành một tấm hai chiều, chúng sẽ tạo thành những vật liệu cực kỳ bền và nhẹ. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ nghiên cứu trong lĩnh vực này đã dẫn đến kết luận rằng không thể tạo ra những tấm như vậy. Một lý do cho điều này là nếu chỉ một monome quay lên hoặc xuống, ra khỏi mặt phẳng của tấm đang phát triển, vật liệu sẽ bắt đầu giãn nở theo ba chiều và cấu trúc giống như tấm sẽ bị mất.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, Strano và các đồng nghiệp đã đưa ra một quy trình trùng hợp mới cho phép họ tạo ra một tấm hai chiều gọi là polyaramide. Đối với các khối xây dựng monome, họ sử dụng một hợp chất gọi là melamin, chứa một vòng các nguyên tử cacbon và nitơ. Trong điều kiện thích hợp, các monome này có thể phát triển theo hai chiều, tạo thành các đĩa. Các đĩa này xếp chồng lên nhau, được giữ lại với nhau bằng các liên kết hydro giữa các lớp, giúp cấu trúc rất ổn định và chắc chắn.
“Thay vì tạo ra một phân tử giống như mì spaghetti, chúng ta có thể tạo ra một mặt phẳng phân tử giống như tấm, nơi chúng ta có thể khiến các phân tử tự móc vào nhau theo hai chiều”, Strano nói. “Cơ chế này xảy ra tự phát trong dung dịch, và sau khi tổng hợp vật liệu, chúng ta có thể dễ dàng phủ màng mỏng bằng phương pháp quay có độ bền cực cao”.
Vì vật liệu tự lắp ráp trong dung dịch, nên có thể sản xuất với số lượng lớn chỉ bằng cách tăng số lượng vật liệu ban đầu. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể phủ bề mặt bằng màng vật liệu mà họ gọi là 2DPA-1.
Strano cho biết: “Với tiến bộ này, chúng ta có các phân tử phẳng dễ dàng chế tạo thành vật liệu rất bền nhưng cực mỏng”.
Nhẹ nhưng mạnh
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mô đun đàn hồi của vật liệu mới — thước đo lực cần thiết để làm biến dạng một vật liệu — lớn hơn từ bốn đến sáu lần so với kính chống đạn. Họ cũng phát hiện ra rằng độ bền kéo của nó, hay lực cần thiết để phá vỡ vật liệu, gấp đôi thép, mặc dù vật liệu này chỉ có mật độ bằng khoảng một phần sáu thép.
Một đặc điểm quan trọng khác của 2DPA-1 là nó không thấm khí. Trong khi các polyme khác được tạo thành từ các chuỗi xoắn có khoảng hở cho phép khí thấm qua, vật liệu mới được tạo thành từ các monome khóa lại với nhau như LEGO và các phân tử không thể xen vào giữa chúng.
“Điều này có thể cho phép chúng tôi tạo ra lớp phủ siêu mỏng có thể ngăn hoàn toàn nước hoặc khí lọt qua”, Strano nói. “Loại lớp phủ chắn này có thể được sử dụng để bảo vệ kim loại trong ô tô và các phương tiện khác hoặc các kết cấu thép”.
Strano và các sinh viên của ông hiện đang nghiên cứu chi tiết hơn về cách loại polyme đặc biệt này có thể tạo thành các tấm 2D và họ đang thử nghiệm thay đổi cấu trúc phân tử của nó để tạo ra các loại vật liệu mới khác.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Trung tâm Vận chuyển Nano lỏng Nâng cao (CENT), một Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng được Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội.
Tin tức Liên hệ:
Email: [email được bảo vệ]
Điện thoại: + 86-28-8411-1861