ახალი მასალა წარმოადგენს მელამინისგან დამზადებულ ორგანზომილებიან პოლიმერს, რომელიც თვითაწყობას განიცდის ფურცლებად, ყველა სხვა პოლიმერისგან განსხვავებით, რომლებიც ერთგანზომილებიან, სპაგეტის მსგავს ჯაჭვებს ქმნიან. აქამდე მეცნიერები თვლიდნენ, რომ პოლიმერების ორგანზომილებიანი ფურცლების წარმოქმნა შეუძლებელი იყო.
ასეთი მასალის გამოყენება შესაძლებელია მსუბუქი, გამძლე საფარის სახით ავტომობილის ნაწილებისთვის ან მობილური ტელეფონებისთვის, ან სამშენებლო მასალად ხიდებისთვის ან სხვა ნაგებობებისთვის, ამბობს მაიკლ სტრანო, MIT-ის კარბონ პ. დაბსის სახელობის ქიმიური ინჟინერიის პროფესორი და ახალი კვლევის უფროსი ავტორი.
„ჩვენ, როგორც წესი, პლასტმასს არ აღვიქვამთ, როგორც ისეთ რამეს, რომლის გამოყენებაც შენობის საყრდენად შეიძლება, მაგრამ ამ მასალით შეგიძლიათ ახალი ნივთების შექმნა“, - ამბობს ის. „მას ძალიან უჩვეულო თვისებები აქვს და ამით ძალიან აღფრთოვანებულები ვართ“.
მკვლევრებმა მასალის გენერირებისთვის გამოყენებულ პროცესზე ორი პატენტი მოითხოვეს, რომელსაც ისინი დღეს ჟურნალ Nature- ში გამოქვეყნებულ ნაშრომში აღწერენ . კვლევის წამყვანი ავტორია MIT-ის პოსტდოქტორანტი იუვენ ზენგი.
ორი განზომილება
პოლიმერები, რომლებიც მოიცავს ყველა პლასტმასს, შედგება მონომერების სახელით ცნობილი საშენი ბლოკების ჯაჭვებისგან. ეს ჯაჭვები იზრდება მათ ბოლოებზე ახალი მოლეკულების დამატებით. ფორმირების შემდეგ, პოლიმერები შეიძლება ჩამოსხმის გამოყენებით სამგანზომილებიან ობიექტებად, მაგალითად, წყლის ბოთლებად ჩამოსხმის სახით მივიღოთ.
პოლიმერების შემსწავლელი მეცნიერები დიდი ხანია ვარაუდობენ, რომ თუ პოლიმერების ორგანზომილებიან ფურცელად გადაზრდის ინდუცირება შესაძლებელი იქნებოდა, ისინი უკიდურესად მტკიცე, მსუბუქ მასალებს უნდა წარმოქმნიდნენ. თუმცა, ამ სფეროში მრავალი ათწლეულის განმავლობაში ჩატარებულმა მუშაობამ იმ დასკვნამდე მიგვიყვანა, რომ ასეთი ფურცლების შექმნა შეუძლებელი იყო. ამის ერთ-ერთი მიზეზი ის იყო, რომ თუ მხოლოდ ერთი მონომერი ბრუნავს ზემოთ ან ქვემოთ, მზარდი ფურცლის სიბრტყიდან გარეთ, მასალა დაიწყებს სამგანზომილებიან გაფართოებას და ფურცლის მსგავსი სტრუქტურა დაიკარგება.
თუმცა, ახალ კვლევაში სტრანომ და მისმა კოლეგებმა შეიმუშავეს პოლიმერიზაციის ახალი პროცესი, რომელიც მათ საშუალებას აძლევს წარმოქმნან ორგანზომილებიანი ფურცელი, რომელსაც პოლიარამიდი ეწოდება. მონომერული საშენი ბლოკებისთვის ისინი იყენებენ მელამინის სახელწოდების ნაერთს, რომელიც შეიცავს ნახშირბადის და აზოტის ატომების რგოლს. შესაბამის პირობებში, ამ მონომერებს შეუძლიათ ორ განზომილებაში გაიზარდონ და დისკები შექმნან. ეს დისკები ერთმანეთზეა დაწყობილი და ფენებს შორის წყალბადის ბმებით არის შეერთებული, რაც სტრუქტურას ძალიან სტაბილურს და მტკიცეს ხდის.
„სპაგეტის მსგავსი მოლეკულის შექმნის ნაცვლად, შეგვიძლია შევქმნათ ფურცლის მსგავსი მოლეკულური სიბრტყე, სადაც მოლეკულებს ორ განზომილებაში ერთმანეთთან დაკავშირების საშუალებას მივცემთ“, - ამბობს სტრანო. „ეს მექანიზმი ხსნარში სპონტანურად ხდება და მასალის სინთეზირების შემდეგ, ადვილად შეგვიძლია თხელი ფენების დაფარვა, რომლებიც არაჩვეულებრივად მტკიცეა“.
რადგან მასალა ხსნარში თვითაწყობადია, მისი დიდი რაოდენობით დამზადება შესაძლებელია უბრალოდ საწყისი მასალების რაოდენობის გაზრდით. მკვლევრებმა აჩვენეს, რომ მათ შეეძლოთ ზედაპირების დაფარვა მასალის აპკებით, რომელსაც ისინი 2DPA-1-ს უწოდებენ.
„ამ წინსვლის წყალობით, ჩვენ გვაქვს ბრტყელი მოლეკულები, რომელთა ძალიან მტკიცე, მაგრამ უკიდურესად თხელი მასალის ჩამოყალიბება ბევრად უფრო ადვილი იქნება“, - ამბობს სტრანო.
მსუბუქი, მაგრამ ძლიერი
მკვლევრებმა აღმოაჩინეს, რომ ახალი მასალის ელასტიურობის მოდული — რომელიც განსაზღვრავს, თუ რამდენი ძალაა საჭირო მასალის დეფორმაციისთვის — ოთხჯერ და ექვსჯერ მეტია ტყვიაგაუმტარი მინის ელასტიურობაზე. მათ ასევე აღმოაჩინეს, რომ მისი დენადობის ზღვარი, ანუ მასალის გატეხვის ძალა, ორჯერ აღემატება ფოლადისას, მიუხედავად იმისა, რომ მასალის სიმკვრივე ფოლადის მხოლოდ ერთი მეექვსედია.
2DPA-1-ის კიდევ ერთი მთავარი მახასიათებელი ის არის, რომ ის აირებისთვის გაუვალია. მიუხედავად იმისა, რომ სხვა პოლიმერები დამზადებულია ხვეული ჯაჭვებისგან, რომლებსაც აქვთ ნაპრალებით, რომლებიც აირების გაჟონვას საშუალებას აძლევს, ახალი მასალა დამზადებულია მონომერებისგან, რომლებიც ერთმანეთთან LEGO-ების მსგავსად იკვრება და მოლეკულები მათ შორის ვერ მოხვდებიან.
„ამან შეიძლება საშუალება მოგვცეს შევქმნათ ულტრათხელი საფარი, რომელიც სრულად უშლის ხელს წყლის ან აირების გავლას“, ამბობს სტრანო. „ამ ტიპის ბარიერული საფარი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითონის დასაცავად მანქანებსა და სხვა სატრანსპორტო საშუალებებში, ან ფოლადის კონსტრუქციებში“.
სტრანო და მისი სტუდენტები ამჟამად უფრო დეტალურად სწავლობენ, თუ როგორ შეუძლია ამ კონკრეტულ პოლიმერს 2D ფურცლების ფორმირება და ექსპერიმენტებს ატარებენ მისი მოლეკულური შემადგენლობის შეცვლაზე, რათა შექმნან სხვა ტიპის ახალი მასალები.
კვლევა დაფინანსდა გაძლიერებული ნანოფლუიდური ტრანსპორტის ცენტრის (CENT) მიერ, რომელიც წარმოადგენს ენერგეტიკის საზღვრის კვლევით ცენტრს, რომელსაც სპონსორობენ აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი და არმიის კვლევითი ლაბორატორია.
სიახლეების კონტაქტი:
ელ-ფოსტა: [ელ.ფოსტით დაცულია]
ტელ: + 86-28-8411-1861