Một loại vật liệu mới nhẹ và cứng hơn thép

“Trùng hợp một vật liệu trong hai chiều” chuyện không thể đã thành có thể, kết quả là một vật liệu mới được tạo ra có đặc tính nhẹ và mạnh hơn cả thép.

Sử dụng một quá trình trùng hợp mới, các kỹ sư hóa học MIT đã tạo ra một vật liệu mới mạnh hơn thép và nhẹ như nhựa, hơn nữa có thể dễ dàng sản xuất với số lượng lớn.

Trước đây, các nhà khoa học đã tin rằng không thể tạo ra polyme để tạo thành các tấm 2D. Vật liệu mới là một polymer hai chiều tự lắp ráp thành các tấm, không giống như tất cả các polyme khác, tạo thành các chuỗi một chiều, giống như spaghetti.

Tạo ra vật liệu polymer mới nhẹ và cứng hơn so với thép

Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại MIT và là tác giả cao cấp của nghiên cứu mới cho biết. Một vật liệu như vậy có thể được sử dụng như một lớp phủ nhẹ, bền cho các bộ phận xe hơi hoặc điện thoại di động, hoặc làm vật liệu xây dựng cho cầu hoặc các cấu trúc khác. “Chúng tôi không nghĩ rằng vật liệu nhựa là thứ mà bạn có thể sử dụng để hỗ trợ một tòa nhà, nhưng với vật liệu này, bạn có thể cho phép những thứ mới”, ông nói. “Nó có những đặc tính rất khác thường và chúng tôi rất vui mừng về điều đó.”

Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin hai bằng sáng chế về quá trình họ sử dụng để tạo ra vật liệu, mà họ mô tả trong một bài báo xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Nature. Mit postdoc Yuwen Zeng là tác giả chính của nghiên cứu.

Vật liệu mới hai chiều

Polyme, bao gồm tất cả các loại nhựa, gồm chuỗi các khối xây dựng được gọi là monome. Những chuỗi này phát triển bằng cách thêm các phân tử mới vào mục đích của chúng. Sau khi hình thành,  sử dụng khuôn phun polyme có thể được định hình thành các vật thể ba chiều, chẳng hạn như chai nước,. Các nhà khoa học polymer từ lâu đã đưa ra giả thuyết rằng nếu polyme có thể được gây ra để phát triển thành một tấm hai chiều, chúng sẽ tạo thành các vật liệu cực kỳ mạnh, nhẹ. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ làm việc trong lĩnh vực này đã dẫn đến kết luận rằng không thể tạo ra các vật liệu như vậy. Một lý do cho điều này là nếu chỉ một monome quay lên hoặc xuống, ra khỏi mặt phẳng của tấm đang phát triển, vật liệu sẽ bắt đầu mở rộng theo ba chiều và cấu trúc giống dạng tấm sẽ bị mất.

Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, Strano và các đồng nghiệp đã đưa ra một quy trình trùng hợp mới cho phép họ tạo ra một tấm hai chiều gọi là polyaramide. Đối với các khối xây dựng monomer, họ sử dụng một hợp chất gọi là melamine, có chứa một vòng nguyên tử carbon và nitơ. Trong điều kiện thích hợp, các monome này có thể phát triển theo hai chiều, tạo thành đĩa. Những đĩa này xếp chồng lên nhau, được giữ lại với nhau bởi các liên kết hydro giữa các lớp, làm cho cấu trúc rất ổn định và mạnh mẽ.

“Thay vì tạo ra một phân tử giống như spaghetti, chúng ta có thể tạo ra một mặt phẳng phân tử giống như tấm, nơi chúng ta có được các phân tử để tự kết nối với nhau theo hai chiều”, Strano nói. “Cơ chế này xảy ra một cách tự nhiên trong dung dịch, và sau khi chúng tôi tổng hợp vật liệu, chúng tôi có thể dễ dàng tạo thành các màng mỏng có độ bền vượt trội.”

Bởi vì vật liệu tự lắp ráp trong dung dịch, nó có thể được thực hiện với số lượng lớn bằng cách đơn giản là tăng số lượng vật liệu bắt đầu. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể phủ các bề mặt bằng màng của vật liệu, mà họ gọi là 2DPA-1. Strano nói: “Với sự tiến bộ này, chúng tôi có các phân tử phẳng sẽ trở nên dễ dàng hơn trong thời trang thành một chất liệu rất bền, nhưng cực kỳ mỏng.

Nhẹ nhưng mạnh mẽ

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng môđun đàn hồi của vật liệu mới – thước đo lượng lực cần thiết để làm biến dạng vật liệu – lớn hơn từ bốn đến sáu lần so với kính chống đạn. Họ cũng phát hiện ra rằng cường độ chảy của nó, hoặc lượng lực cần thiết để phá vỡ vật liệu, gấp đôi so với thép, mặc dù vật liệu này chỉ có tỷ trọng bằng 1/6 so với thép.

Matthew Tirrell (người không tham gia vào nghiên cứu), hiệu trưởng Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker tại Đại học Chicago, nói rằng kỹ thuật mới “thể hiện một số hóa học rất sáng tạo để tạo ra các polyme 2D liên kết này.” Một tính năng chính khác của 2DPA-1 là nó không thấm khí. Trong khi các polyme khác được làm từ các chuỗi cuộn với các khoảng trống cho phép khí thấm qua, thì vật liệu mới được làm từ các monome có thể khóa lại với nhau như LEGO và các phân tử không thể lọt vào giữa chúng. Strano nói: “Điều này có thể cho phép chúng tôi tạo ra các lớp phủ siêu mỏng có thể ngăn chặn hoàn toàn nước hoặc khí đi qua. “Loại lớp phủ hàng rào này có thể được sử dụng để bảo vệ kim loại trong ô tô và các phương tiện giao thông khác, hoặc các kết cấu thép”. Strano và các sinh viên của ông hiện đang nghiên cứu chi tiết hơn cách polyme đặc biệt này có thể tạo thành các tấm 2D và họ đang thử nghiệm thay đổi cấu trúc phân tử của nó để tạo ra các loại vật liệu mới khác.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Trung tâm Vận chuyển Nanofluidic tăng cường (CENT), một Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội.

Nguồn tham khảo: MIT news