В США создали сверхпрочную «кольчугу», в сотни раз прочнее кевлара
Команда ученых из Северо-Западного университета, США рзработала первый в мире двумерный механически сцепленный материал, обладающий высокой гибкостью и прочностью. Эксперты считают, что в будущем его можно будет использовать для создания легких, но высокоэффективных бронежилетов или других сверхпрочных изделий, говорится в пресс-релизе организации.
На иллюстрации показано, как Х-образные мономеры соединяются между собой и образуют первый в мире двумерный механически сцепленный полимер. Марк Сенив, Центр регенеративной наномедицины, Северо-Западный университет, США.
В 1980-х годах Фрейзер Стоддарт, на тот момент ученый-химик из Северо-Западного университета, впервые сформулировал концепцию механических связей. Впоследствии Стоддарт расширил роль этих связей до молекулярных машин (или наномашин), добавив к ним функции переключения, вращения, сжатия и расширения несколькими способами, и использовал их для создания взаимосвязанных структур. В 2016 году это открытие принесло ему Нобелевскую премию.
Исследователи уже не одно десятилетие работают над созданием механически сцепленных молекул с полимерами, но до сих пор безуспешно. «В органической химии довольно просто сформировать так называемые «кольца среднего размера», состоящие из 5-8 атомов. Но они слишком малы, чтобы пропустить через них другую молекулу», - рассказывает Уильям Дихтель, профессор химии Северо-Западного университета, в интервью журналу Interesting Engineering.
«В нашем проекте в каждой второй единице двумерной структуры образуются новые кольца, которые состоят из 40 атомов, - добавил Дихтель. Это было достигнуто с помощью инновационного и оригинального подхода, который даже ставит под сомнение постулаты о том, как происходит межмолекулярное взаимодействие».
Инновационный процесс
Мэдисон Бардо, докторант из лаборатории Дихтеля, разработала новый процесс, используя Х-образные мономеры в качестве строительных блоков и организуя их в высокоупорядоченные кристаллические структуры. Затем с помощью другой молекулы были образованы связи между молекулами кристалла.
Полученный таким образом материал представляет собой слои двумерных (2D) полимерных листов, в которых «хвосты» Х-образных мономеров соединены с «хвостами» других Х-образных молекул, а в промежутках между ними находятся другие мономеры. Новый полимер отличается сверхвысокой плотностью механических связей - 100 триллионов на квадратный сантиметр. Любопытно, что при растворении полимера в жидком растворе сцепленные мономеры начинают разъединяться, что позволяет манипулировать отдельными листами.
«Многие высококристаллические соединения довольно хрупки, но наш полимер имеет правильную, упорядоченную структуру и при этом очень гибок, поскольку у каждой механической связи есть немного пространства для движения», - поясняет Дихтель.
«Если к образцу полимера приложить небольшое усилие, он станет чрезвычайно гибким, но если физическое воздействие увеличить, материал станет более жестким, поскольку механические связи растянутся до предела. Это свойство называется «деформационным упрочнением» и представляет особый интерес при создании вязких и механически прочных материалов".
Помимо высоких механических качеств, архитектура полимеров обладает и другими интересными свойствами, которые ученые планируют использовать в новых областях.
Команда Дихтеля из Университета Дьюка использовала новый полимер для создания материала Ultem - волокна из того же семейства, что и кевлар, но способного выдерживать гораздо более экстремальные температуры и агрессивное химическое воздействие. В результате добавление всего 2,5 % полимера существенно повысило прочность и жесткость материала. ...Авторы проекта считают, что новая технология быть использована в производстве брони или баллистической защиты.
Химическая структура кевлара.
IE отмечает, что хотя полимеры с механическими связями ранее синтезировались в довольно скромных масштабах, новый метод подход помог команде экспертов синтезировать более полкилограмма этого вещества. То есть процесс хорошо масштабируется.
«Возможно, самым сложным моментом было убедить самих себя в том, что мы действительно имеем желаемую механически взаимосвязанную структуру. Для решения этой задачи потребовалась команда разнопрофильных специалистов - химиков-синтетиков, специалистов по электронной микроскопии, инженеров по полимерам - чтобы понять, как сделать материал, а затем его изучить», - заключил Дихтел.