2022年初，马萨诸塞州理工学院（MIT）的材料科学研究人员宣布了一种新型的聚合技术，可以生产出极强且轻量级的2D聚合物，以前认为其创建是不可能的。这种新技术及其可用于生产的材料在高级复合材料和屏障涂料材料中具有潜在的应用。
研究背景
所有聚合物都包含链接在一起的构件，称为单体。当将新单体添加到链末端时，聚合物会生长。早在1930年代，科学家Geoffrey Gee的研究，化学家已经研究了是否可以使聚合物成为2D单体而不是链的生长，从而可以创造出极强，轻质的材料。
聚合物大分子链的插图示意图。SPT Paul Topham的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。
创建2D聚合物有什么挑战？在合成过程中，即使单体之间的一个键也从平面旋转，它会引入一个缺陷，该缺陷会导致结构迅速在3D中膨胀。一旦发生这些缺陷，就无法纠正它们。
已经开发了涉及模板和合成化合物的最新2D合成方法。他们表现出希望，但仍然有很多缺点。例如，使用这些方法生产的材料具有有限的化学和机械稳定性，并且很难将其处理成具有任何有用特性的工程材料。
突破性聚合技术
新技术由麻省理工学院的研究人员开发使创建一个2D单体（而不是1D链）可以称为a聚氨基酰胺。该技术涉及酰胺浓度的C3对称酸氯化物和一种称为的材料三聚氰胺。
粉末形式的三聚氰胺。Aariuser I的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Flickr Creative Commons。
为什么这个组合？研究人员假设使用强酰胺 - 芳族共轭会抑制导致缺陷的平面外旋转问题。他们被证明是正确的；这使得单体在二维并形成磁盘上生长所需的条件。这些磁盘彼此堆叠，并且由于层间氢键通过范德华吸引人，它们既稳定又非常强大。此外，这些磁盘可以从溶液中吸收单体并自我调整到2D表面上。这种技术称为自催化自我训练，这是使2D纸的增长而没有任何缺陷的原因。
引入2DPA-1
名字叫什么？新型聚合技术生产的新材料被命名为2DPA-1，是2D的Portmanteau和聚氨基酰胺。2D聚合物的好处很多。
2DPA-1易于制造，并且具有极高的机械和化学稳定性。现有2D聚合物材料的主要挑战之一是，将它们加工成膜和膜并不容易。得益于2DPA-1的独特，均匀的2D结构，它可以很容易地处理以形成纳米厚度的均匀和连续膜和膜。这种高处理性使其有可能在许多引人入胜的应用领域中使用。
极端稳定性和高处理性也使2DPA-1令人印象深刻。由于其高产强度，破裂需要两倍的破坏钢的力，是变形防弹玻璃所需的四倍至六倍。从某种意义上说，它类似于凯夫拉尔（Kevlar），凯夫拉（Kevlar）用来制作防弹背心。当您认为它们像塑料一样轻巧时，这些材料的强度就会更加令人印象深刻！
一条戴着凯夫拉尔防弹背心的狗，其强度类似于2DPA-1。Tacosunday的图像 - 自己的作品。通过公共领域的图像通过Wikimedia Commons。
该材料的另一个有趣的方面是它的不渗透性。新的聚合物几乎对环境气体不渗透，这就是使其成为壁垒和涂料的好候选者。2DPA-1显示出与文献中石墨烯报告的类似的渗透性。
石墨烯单层的扫描图像，其渗透性与2DPA-1相似。M. H. Gass的图像 -OpenStax并获得许可CC由3.0， 通过Wikimedia Commons。
2D聚合物的潜在应用
这种聚合技术的开发为既有化学和机械稳定的2D聚合物材料的新家族铺平了道路。这些材料显示出可能用作飞机轻量级复合材料和屏障涂料。
带有烧蚀屏障涂层的飞机，类似于2D聚合物可以生产的飞机。NASA和公共领域的图像通过Wikimedia Commons。
该研究项目表明，创建新的，更耐用，因此更可持续的材料以及新技术的创新是可能的。
进一步阅读
- 通过阅读研究论文“超级二维聚合物材料的不可逆合成”自然
- 通过以下方式在新闻中获取有关这项研究的更多详细信息：
评论（0）