Die Materialwissenschaften haben gerade einen großen Durchbruch erzielt.
Wissenschaftler des MIT haben ein neuartiges 2D-Polymermaterial entwickelt, das sich selbst zu Platten zusammenbauen kann, obwohl es das gleiche Gewicht wie Kunststoff hat, und sogar auf massive Produktionsniveaus skaliert werden kann, so eine kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichte StudieNatur.
Und, was entscheidend ist, es ist sogar stärker als Stahl. Also meldeten die Wissenschaftler zwei Patente auf das neuartige Material an.
MIT-Wissenschaftler reichten zwei Patente für ein neues Material ein
Das neue Material wurde durch einen neuen Polymerisationsprozess geschmiedet und ermöglichte es den MIT-Chemieingenieuren, die Fallstricke anderer Polymere zu umgehen, die sich typischerweise zu eindimensionalen, nudelartigen Ketten formen. Dies stellt einen Durchbruch bei 2D-Polymermaterial darkönnte als leichte und robuste Beschichtung für Autoteile, Smartphones und sogar als Baumaterial für Brücken und andere städtische Gebäude dienen, sagte Michael Strano, Carbon P. Dubbs-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und Seniorautor der Studie in ein Blogbeitrag auf der offiziellen Website des MIT.
„Wir denken normalerweise nicht, dass Kunststoff etwas ist, mit dem man ein Gebäude tragen könnte, aber mit diesem Material können Sie neue Dinge ermöglichen“, sagte Strano in dem Blogbeitrag. „Es hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften und wirsind sehr gespannt darauf.“ Im Zuge der Entwicklung dieses Materials meldeten die Forscher zwei Patente für das Verfahren an, das es ihnen ermöglichte, das Material herzustellen. Aber was genau ist ein zweidimensionales Polymer?
Halten des Polymers in zwei Dimensionen
Polymere sind eine Substanz, die alle Kunststoffe umfasst, und bestehen aus winzigen Bausteinen, die in einer Kette verbunden sind, die als Monomere bezeichnet werden. Sobald sie zu Ketten geformt sind, können sie wachsen, indem sie auf beiden Seiten weitere Moleküle hinzufügen. Schließlich können sie verändert und gefaltet werdenin 3D-Objekte, mit denen wir sehr vertraut sind, wie Flaschen, durch Spritzgießen. Polymerforscher haben die Theorie aufgestellt, dass sie einen Weg finden könnten, Polymere wachsen zu lassen. ein zweidimensionales Blatt – und dass sein hypothetisches Material unangemessen stark sein und leicht eine einfache, leichte Substanz bilden würde. Aber Jahrzehnte der Arbeit an diesem Traum hatten nichts gebracht, so dass viele vermuten, dass es nur ein weiterer Wunschtraum war.
Dies war keine defätistische Haltung; es gab gute Gründe, daran zu zweifeln, dass dies jemals passieren würde: Wenn sich beispielsweise nur ein einziges Monomer außerhalb der Ebene des wachsenden Blattes nach unten oder oben dreht, beginnt die Domäne des neuartigen Materialsum in drei Dimensionen zu wachsen, was alle Hoffnung auf die flächige Struktur mit den einzigartigen Qualitäten beseitigt, die für Anwendungen auf der nächsten Ebene erforderlich sind.Deshalb konzipierten Strano und seine Kollegen in der neuen Studie einen neuartigen Polymerisationsprozess, der ihnen dabei half, eine2D-Folie, bekannt als Polyaramid. Eine andere Substanz aus Stickstoff- und Kohlenstoffatomen namens Melamin half dabei, die Monomere zu „fokussieren“, sodass sie nur in zwei Dimensionen wachsen würden.
Weitere neuartige Materialien sind am Horizont des MIT
Mit all diesen Methoden, die zu einem unglaublichen technischen Beweis kombiniert wurden, zwangen die Forscher das Polymer, sich zu Scheiben zu formen, die dann wie Pfannkuchen gestapelt und über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen jeder Schicht – das Geheimnis der ungewöhnlichen Stärke des Materials. „Anstatt ein spaghettiartiges Molekül herzustellen, können wir eine blattartige molekulare Ebene herstellen, in der wir Moleküle dazu bringen, sich in zwei Dimensionen miteinander zu verhaken“, sagte Strano,im MIT-Blogpost. „Dieser Mechanismus tritt spontan in Lösung auf, und nachdem wir das Material synthetisiert haben, können wir leicht dünne Filme aufschleudern, die außerordentlich stark sind.“
Was es für Baustoffe bedeutet - Dieses Material kann sich in einer Lösung autonom selbst zusammensetzen, was bedeutet, dass Ingenieure enorme Erträge erzielen können, indem sie die Anzahl der Ausgangsmaterialien erhöhen. Und mit dem Beweis, dass das neue Material dies kann erheblich die Stärke erhöhen von anderen, indem sie ihre Oberflächen beschichteten, nannten die Ingenieure es 2DPA-1. „Mit diesem Fortschritt haben wir planare Moleküle, die viel einfacher zu einem sehr starken, aber extrem dünnen Material geformt werden können“, sagte Strano. Und, in den kommenden Jahren wollen er und sein Team am MIT erforschen, welche anderen neuen Arten von Materialien entdeckt werden könnten, indem sie mit 2DPA-1 herumspielen molekularer Aufbau.