Dokonując niezwykłego wyczynu chemicznego, zespół badawczy pod przewodnictwem Northwestern University opracował pierwszy dwuwymiarowy (2D) mechanicznie powiązany materiał.
Przypominający splatające się ogniwa kolczugi, materiał w nanoskali wykazuje wyjątkową elastyczność i wytrzymałość. Dalsze prace dają nadzieję, że będzie można go zastosować w wysokowydajnych, lekkich kamizelkach kuloodpornych i do innych zastosowań wymagających lekkich, elastycznych i wytrzymałych materiałów.
Wyniki badania, które opublikowano w piątek (17 stycznia) w czasopiśmie Science, stanowią nowość w tej dziedzinie. Jest to nie tylko pierwszy mechanicznie powiązany polimer 2D, ale nowatorski materiał zawiera również 100 bilionów wiązań mechanicznych na 1 centymetr kwadratowy – co stanowi najwyższą gęstość wiązań mechanicznych, jaką kiedykolwiek osiągnięto. Naukowcy wyprodukowali ten materiał, stosując nowy, wysoce wydajny i skalowalny proces polimeryzacji.
„Stworzyliśmy zupełnie nową strukturę polimerową” – powiedział William Dichtel z Northwestern, współautor badania. „Jest podobny do kolczugi, ponieważ nie można jej łatwo rozerwać, ponieważ każde z wiązań mechanicznych ma pewną swobodę w przesuwaniu się. Jeśli ją pociągniesz, może rozproszyć przyłożoną siłę w wielu kierunkach. A jeśli chcesz ją rozerwać, musielibyśmy go rozbić w wielu, wielu różnych miejscach. Kontynuujemy badanie jego właściwości i prawdopodobnie będziemy go badać przez lata.
Dichtel jest profesorem chemii im. Roberta L. Letsingera w Weinberg College of Arts and Sciences oraz członkiem Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii (IIN) i Instytutu ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens. Madison Bardot, doktorantka kandydat w laboratorium Dichtela i IIN Ryan Fellow, jest pierwszym autorem badania.
Wynalezienie nowego procesu
Przez lata badacze próbowali opracować mechanicznie powiązane cząsteczki z polimerami, ale okazało się, że nakłonienie polimerów do utworzenia wiązań mechanicznych jest prawie niemożliwe.
Aby stawić czoła temu wyzwaniu, zespół Dichtela przyjął zupełnie nowe podejście. Zaczęli od monomerów w kształcie litery X – będących elementami budulcowymi polimerów – i ułożyli je w specyficzną, wysoce uporządkowaną strukturę krystaliczną. Następnie poddali te kryształy reakcji z inną cząsteczką, tworząc wiązania między cząsteczkami w krysztale.
„Bardzo cenię Madison za to, że wpadła na pomysł formowania mechanicznie powiązanego polimeru” – powiedział Dichtel. „To był pomysł obarczony wysokim ryzykiem i zapewniający dużą nagrodę, w ramach którego musieliśmy zakwestionować nasze założenia dotyczące tego, jakie rodzaje reakcji są możliwe w kryształach molekularnych”.
Powstałe kryształy składają się z warstw i warstw połączonych ze sobą arkuszy polimerowych 2D. W arkuszach polimerowych końce monomerów w kształcie litery X są połączone z końcami innych monomerów w kształcie litery X. Następnie przez szczeliny pomiędzy nimi przepuszcza się więcej monomerów. Pomimo sztywnej struktury polimer jest zaskakująco elastyczny. Zespół Dichtela odkrył również, że rozpuszczenie polimeru w roztworze powodowało odklejanie się warstw powiązanych ze sobą monomerów.
„Po utworzeniu polimeru niewiele elementów utrzymuje konstrukcję w całości” – powiedział Dichtel. „Tak więc, kiedy umieścimy go w rozpuszczalniku, kryształ rozpuści się, ale każda warstwa 2D trzyma się razem. Możemy manipulować poszczególnymi arkuszami”.
Aby zbadać strukturę w nanoskali, współpracownicy z Cornell University pod kierownictwem profesora Davida Mullera wykorzystali najnowocześniejsze techniki mikroskopii elektronowej. Obrazy ujawniły wysoki stopień krystaliczności polimeru, potwierdziły jego powiązaną strukturę i wskazały na jego wysoką elastyczność.
Zespół Dichtela odkrył również, że nowy materiał można wytwarzać w dużych ilościach. Dotychczasowe polimery zawierające wiązania mechaniczne zwykle wytwarzano w bardzo małych ilościach przy użyciu metod, które prawdopodobnie nie są skalowalne. Z drugiej strony zespół Dichtela wyprodukował pół kilograma nowego materiału i zakłada, że możliwe będą jeszcze większe ilości, gdy pojawią się ich najbardziej obiecujące zastosowania.
Dodawanie wytrzymałości twardym polimerom
Zainspirowani wrodzoną wytrzymałością materiału, współpracownicy Dichtela z Duke University, pod przewodnictwem profesora Matthew Beckera, dodali go do Ultem. Ultem, należący do tej samej rodziny co Kevlar, jest niezwykle mocnym materiałem, który jest w stanie wytrzymać ekstremalne temperatury oraz kwaśne i żrące chemikalia. Naukowcy opracowali materiał kompozytowy składający się w 97,5% z włókna Ultem i zaledwie 2,5% polimeru 2D. Ten niewielki procent radykalnie zwiększył ogólną siłę i wytrzymałość Ultem.
Dichtel przewiduje, że nowy polimer jego grupy może mieć przyszłość jako specjalistyczny materiał do lekkich kamizelek kuloodpornych i tkanin balistycznych.
„Mamy do wykonania znacznie więcej analiz, ale możemy stwierdzić, że poprawia to wytrzymałość materiałów kompozytowych” – powiedział Dichtel. „Prawie każda nieruchomość, którą zmierzyliśmy, była w jakiś sposób wyjątkowa”.
Przesiąknięty historią północno-zachodnią
Autorzy poświęcili artykuł pamięci byłego chemika z Northwestern, Sir Frasera Stoddarta, który wprowadził koncepcję wiązań mechanicznych w latach 80. XX wieku. Ostatecznie przekształcił te wiązania w maszyny molekularne, które przełączają się, obracają, kurczą i rozszerzają w kontrolowany sposób. Zmarły w zeszłym miesiącu Stoddart otrzymał za tę pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku.
„Cząsteczki nie tylko przeplatają się same, dlatego Fraser opracował genialne sposoby tworzenia szablonów powiązanych ze sobą struktur” – powiedział Dichtel, który był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w laboratorium Stoddarta na UCLA. „Ale nawet te metody nie są wystarczająco praktyczne, aby można je było stosować w przypadku dużych cząsteczek, takich jak polimery. W naszej obecnej pracy cząsteczki są utrzymywane stabilnie na miejscu w krysztale, co szablonuje tworzenie się wiązań mechanicznych wokół każdej z nich.
„Tak więc te mechaniczne wiązania mają głęboką tradycję w Northwestern i jesteśmy podekscytowani możliwością zbadania ich możliwości w sposób, który nie był jeszcze możliwy”.
Badanie zatytułowane „Mechanicznie powiązane dwuwymiarowe polimery” było wspierane głównie przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obrony (numer umowy HR00112320041) i IIN (program Ryan Fellows) firmy Northwestern.