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【最新研究】《自然》:麻省理工造出革命性材料,比鋼還硬,比塑膠還輕
2022/02/20
2022/02/20

想象這樣一種材料,比鋼還硬一倍,但重量卻只有鋼的六分之一,並且還可以很容易地大規模生產出來。你一定會說,這當然是一種革命性的材料,可以徹底改變世界,然而這只是一種理想的材料,現實中完全不可能。

但你可能要大跌眼鏡了,《自然》雜誌2月2日發表了一項研究,美國麻省理工學院的研究人員已經製造出了這種「不可能」的材料,並且申請了兩項專利。

這項研究來自麻省理工學院化學工程教授邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano) 領導的團隊,第一作者是博士後曾玉偉(Yuwen Zeng)。

這種材料被命名為2DPA-1,是一種二維聚合物,可以自我組裝成片狀,從而形成了極其堅固的,比鋼還強,和塑膠一樣輕的輕質材料。

聚合物也就是我們所稱的塑膠、塑膠等高分子材料,這些材料具有非常大的分子量,分子間由共價鍵將單體連接在一起,通過在末端添加新的分子而成長。一旦形成,聚合物可以通過注塑成型製造成三維物體,例如水瓶等。

此前聚合物被認為只能形成一維的,像義大利麵條一樣的鏈狀結構,但高分子科學家也一直設想,能夠通過某種方式誘導其生長為二維片材,從而帶來強度上的極大提高,但密度仍然保持聚合物的低密度。

然而研究進行了幾十年,所有的努力都失敗了,因為科學家們發現,只要有一個單體向上或向下旋轉,離開了生長片材的平面,材料就會在三維空間膨脹,從而導致片狀結構的消失。科學家們因而得出一個令人無奈的結論,這種材料是不可能實現的。

麻省理工的研究人員使用了一種叫做三聚氰胺的化合物——沒錯,就是前些年牛奶裡添加的那種臭名昭著的害人物質,這種物質含有碳和氮環的結構。

科學家們發現,在適當的條件下,這些單體可以在二維上生長,形成圓盤,相互堆疊,由各層之間的氫鍵固定在一起,結構變得非常穩定和牢固,從而生成了一種被稱為聚醯胺的二維片材。

斯特拉諾形容說,他們不是在做一個義大利麵條般的分子,而是片狀的分子平面,讓分子在二維上把自己勾在一起,這種機制可以在溶液中自發地發生,從而很容易地旋塗薄膜,而這種薄膜特別的堅固。正是因為它可以在溶液中自組裝,因而可以通過簡單地增加起始材料的數量,大量製造非常堅固但極薄的材料。

科學家們的研究表明,這種材料的彈性模量比防彈玻璃大4到6倍,其屈服強度,也就是打破材料所需的力量,是鋼材的兩倍,但密度只有鋼材的六分之一。

2DPA-1還有一個特點,那就是聚合物由單體製成,像樂高積木一樣鎖在一起,氣體無法滲透,因而可以製成超薄的塗層,完全阻止水和氣體通過。

科學家們認為,這種高強度的輕質材料,可用于手機、汽車零件的輕質耐用塗層,也可用于橋樑及其他結構作為建築材料。當然,更廣泛的用途將在量產後得到大量開發,畢竟一種比鋼還強一倍,但重量只有六分之一,還很容易製造的材料,其未來是不可限量的。

這項研究發表在2月2日《自然》雜誌上,標題是:Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material

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