У тому, що вони називають "найвищою щільністю механічних зв'язків, коли-небудь досягнутою", дослідники створили надміцний гнучкий матеріал, який працює дуже схоже на кольчугу. Прорив вже продемонстрував його здатність покращувати бронежилет.
У світі хімії змусити полімери (довгі ланцюги великих молекул) утворювати механічні зв'язки всередині своїх структур виявилося надзвичайно складним завданням. На відміну від хімічних зв'язків, які включають обмін електронами між атомами або вплив електростатичних сил між ними, механічні зв'язки включають молекули, що фізично пронизують один одного.
Однак тепер проривна технологія у Північно-Західному університеті (NU) подолала цю проблему. Дослідники там зробили двовимірні листи з мономерів у формі літери X, які є будівельними блоками полімерів. (У хімії двовимірними об'єктами є ті, які складаються всього з одного шару атомів.) Мономери складалися з молекул, що містять чотири протяжні ароматичні групи, що додало їм форму літери X.
Потім вони нашаровували ці листи в кристалічну структуру і прикріплювали кінці всіх X один до одного за допомогою введення хімічної речовини, відомої як діалкілдихлорсилан. Більше шарів змушувало більше мономерів поширюватися і з'єднуватися через ґрати, у результаті виходила серія петель, сплетених разом у надміцну мережу, схожу на металеві ланки в кольчузі.
Дослідники кажуть, що новий матеріал має 100 трильйонів механічних зв'язків на кожен квадратний сантиметр, що робить його речовиною з найвищою щільністю цих зв'язків із будь-коли створених.
"Ми створили абсолютно нову полімерну структуру", - сказав Вільям Діхтель з Northwestern, відповідальний автор дослідження. «Вона схожа на кольчугу тим, що її не можна легко порвати, бо кожен із механічних зв'язків має трохи свободи для ковзання. Якщо ви потягнете її, вона може розсіяти прикладену силу у кількох напрямках. А якщо ви захочете розірвати її, вам доведеться розірвати її в багатьох різних місцях. Ми продовжуємо вивчати її властивості та, ймовірно, вивчатимемо її протягом багатьох років».
Супер-пупер
Після експериментів з матеріалом дослідники виявили, що, на відміну від попередніх механічно пов'язаних матеріалів, його можна робити у великих кількостях. У ході випробувань вони зробили кілограм матеріалу і вважають, що можливі навіть більші кількості.
Досліджуючи практичну природу нового матеріалу, співробітники Дихтеля в Університеті Дьюка додали його до матеріала, відомого як Ultem, дуже міцного матеріалу, схожого на кевлар, який може витримувати удари, їдкі хімікати та екстремальні температури. Команда Дьюка виявила, що додавання всього 2,5% нового матеріалу до Ultem збільшило показник міцності, відомий як модуль розтягування, на 45%.
"Ми маємо провести набагато більше аналізу, але ми можемо сказати, що це підвищує міцність цих композитних матеріалів", - сказав Дихтель. «Майже кожна властивість, яку ми виміряли, була винятковою в якомусь сенсі». Це, за його словами, може зробити новий матеріал ідеальним для розробки нової легкої броні чи інших балістичних тканин.
Посвята
Дослідники присвятили своє дослідження, опубліковане в журналі Science, серу Фрейзеру Стоддарту, колишньому колезі-хіміку з Північно-Західного університету, який отримав Нобелівську премію з хімії у 2016 році за свою роботу зі створення новаторських механічних зв'язків.
"Молекули не просто пронизують один одного самі по собі, тому Фрейзер розробив геніальні способи створення шаблонів взаємопов'язаних структур", - сказав Діхтель, який був науковим співробітником у лабораторії Стоддарта в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. «Але навіть ці методи не стали достатньо практичними для використання у великих молекулах, таких як полімери. У нашій роботі молекули міцно утримуються у кристалі, який задає шаблон формації механічного зв'язку навколо кожної їх.
«Отже, ці механічні зв'язки мають давню традицію в Північно-Західному університеті, і ми раді досліджувати їхні можливості засобами, які досі були неможливими».
Джерела: Northwestern
