科学家们创造出与钢铁相当的塑料——坚固但不重。塑料，化学家有时称之为聚合物，是由称为单体的短重复单元组成的一类长链分子。与以前具有相同强度的聚合物不同，新材料仅以膜的形式出现。它的气密性也是市场上最不透水的塑料的 50 倍。这种聚合物的另一个值得注意的方面是它的合成简单。该过程在室温下进行，只需要廉价的材料，而且聚合物可以大量生产成只有纳米厚的大片材。研究人员于 2 月 2 日在《自然》杂志上报告了他们的发现。
所讨论的材料称为聚酰胺，一种酰胺分子单元的螺纹网络（酰胺是连接到氧键合碳原子上的氮化学基团）。此类聚合物包括用于制造防弹背心的纤维 Kevlar 和防火材料 Nomex与 Kevlar 一样，新材料中的聚酰胺分子在其整个链长上通过氢键相互连接，从而增强了材料的整体强度。
麻省理工学院化学工程师、主要作者迈克尔斯特拉诺说：“它们像魔术贴一样粘在一起。”撕裂材料不仅需要打破单个分子链，还需要克服渗透整个聚合物束的巨大分子间氢键。
此外，新型聚合物可以自动形成薄片。这使得材料易于加工，因为它可以制成薄膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物往往以线性链的形式生长，或反复分支和无论方向如何，都可以在三个维度上链接。但是 Strano 的聚合物以独特的方式在 2D 中生长以形成纳米片。
“你能聚合在一张纸上吗？事实证明，在大多数情况下，你无法做到这一点，直到我们的工作，”斯特拉诺说，“所以，我们找到了一种新机制。”在最近的这项工作中，他的团队克服了使这种二维聚合成为可能的障碍。
聚芳酰胺具有平面结构的原因是聚合物合成涉及一种称为自催化模板化的机制：随着聚合物变长并粘附在单体结构单元上，不断增长的聚合物网络会诱导后续单体仅在正确的方向上结合以加强结合二维结构。研究人员证明，他们可以轻松地将溶液中的聚合物涂覆到晶圆上，从而制造厚度小于 4 纳米的英寸宽层压板。这几乎是普通办公用纸厚度的百万分之一。
为了量化聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针在悬浮的材料片上戳孔所需的力。这种聚酰胺确实比尼龙等传统聚合物更硬，尼龙是用来制造降落伞的织物。值得注意的是，拧开这种超强聚酰胺所需的力是相同厚度的钢的两倍。据斯特拉诺说，这种物质可以用作金属表面的保护涂层，例如汽车饰面板，或用作净化水的过滤器。在后一种功能中，理想的过滤膜需要足够薄但强度足以承受高压，而不会将小的、令人讨厌的污染物泄漏到我们的最终供应中——非常适合这种聚酰胺材料。
未来，Strano 希望将聚合方法扩展到这种 Kevlar 类似物之外的不同聚合物。“聚合物无处不在，”他说，“它们无所不能。”想象一下，将许多不同种类的聚合物，甚至是可以导电或发光的奇异聚合物，变成可以覆盖各种表面的薄膜，他补充道。“由于这种新机制，现在可能可以使用其他种类的聚合物，”斯塔诺说。
斯特拉诺说，在一个被塑料包围的世界里，社会有理由对另一种机械性能与众不同的新型聚合物感到兴奋。这种芳纶非常耐用，这意味着我们可以替代日常塑料，从油漆到袋子再到食品包装， Strano 补充说，从可持续性的角度来看，这种超强二维聚合物是朝着让世界摆脱塑料的正确方向迈出的一步。
Shi En Kim（她通常被称为 Kim）是马来西亚出生的自由科学作家和 2022 年春季大众科学编辑实习生。她撰写的主题广泛，从蜘蛛网（人类或蜘蛛本身）的古怪用途到垃圾收集器在外太空。
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发布时间：May-19-2022