麻省理工学院成功开发二维聚合物材料

美国麻省理工学院的化学工程师使用一种创新的聚合工艺，开发出了一种比钢更坚固、重量却轻如塑料的新材料，并且这种材料易于大批量制造。

这种新型材料是一种二维聚合物，可以自组合成薄片。与其他所有聚合物不同，一般聚合物往往只能聚合形成一维的、像意大利面一样的长链状，截至目前，科学家们一直认为诱导聚合物形成二维片材是不可能的。

麻省理工学院化学工程教授、本项全新研究工作的主要负责人Michael Strano表示，过去人们通常不认为塑料可以用作建筑物结构材料，但使用这种全新的材料，可以创造新事物。这种新材料具有非比寻常、令人兴奋的特性，可以用作汽车零件或者手机轻质耐用涂层，此外还可用作桥梁或其他结构的建筑材料。

研究人员已经就生成这种材料的过程申请了两项专利，相关研究成果已经发表在《自然》期刊中的一篇论文。麻省理工学院博士后Yuwen Zeng是该研究的主要作者。

二维材料

包括所有塑料在内的聚合物是由单体组成的结构单元重复聚合成链而成。这些链通过在其末端不断添加新的结构单元形成长链。一旦聚合过程完成，聚合物就可以使用注塑成型的方式，制造三维物体，如水瓶等。

材料科学界长期以来一直存在一种假设：如果可以诱导聚合物生长成二维片材，它们应该会形成极其坚固、轻质的材料。不过在该领域经过数十年研究后，科学家们得出的结论是这种材料不可能实现。其中的重要原因是，在聚合过程中只要有一个单体向上或向下旋转，超出二维平面，材料就会在三个维度上膨胀生长，片状结构将丢失。

然而，在此次进行的新研究中，Strano和他的同事们提出了一种全新聚合工艺，能够生成一种被称为聚芳酰胺的二维片材。其中单体结构单元使用的是一种名为三聚氰胺的化合物，它含有一个碳氮原子环。在适当的条件下，这种单体可以二维生长，形成圆盘状材料。这些圆盘相互堆叠，通过层间的氢键结合在一起，使结构非常稳定和牢固。

Strano表示，全新聚合工艺可以制造出片状分子面，而不是过去形成的制造一个类似意大利面的长分子链，因此能够实现在二维尺度上将分子面自动连接在一起。这种聚合机理可在溶液中自动发生，当材料聚合完成后，可轻松地旋转镀膜形成非常坚固的薄膜。

由于材料在溶液中可自组合，因此可以通过简单地增加起始原料量实现大量制造。研究人员表示，这种材料薄膜可涂覆在其他物体表面上，材料牌号为2DPA-1。

Strano表示，随着这项科研工作取得的进步，人类拥有了二维高分子，这将有助于更容易地制成非常坚固且极薄的新材料。

轻质且高强

研究人员进一步研究显示，新材料的弹性模量——即使材料变形所需的力——比防弹玻璃高4到6倍。此外，尽管这种材料的密度只有钢的六分之一，但它的屈服强度——破坏材料所需的力——是钢的2倍。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长Matthew Tirrell表示，这项新技术“体现了一种非常有创意的化学方法，可以制造这种相互连结的二维聚合物”。

Tirrell表示，能够形成这种全新聚合物的重要原因是它易于在溶液中生成，由于材料具有很好的比强度，这将促进许多新的应用，例如新的复合材料或液体中防止扩散的膜材料等。

2DPA-1的另一个关键特性是它不透气。其他聚合物材料一般都是由长链盘绕而成，分子间带有间隙，可以让气体渗入。但是这种新材料是由像乐高积木一样拼接在一起的单体制成，气体分子无法从中间穿过。

利用这种性质，人们可以创造出可完全防止水或气体通过的超薄涂层。这种阻隔涂层可用于保护汽车和其他装备中使用的金属结构表面。

Strano研究团队正在就这种特殊聚合物能够形成二维片材的机理进行更详细的研究。此外，研究人员正在尝试改变分子构成以创造其他类型的新型材料。

该研究由美国能源部科学办公室所属的增强纳米流体运输中心（CENT）和美国陆军研究实验室资助。（陈济桁）

文章来源：《化学工程师》 网址: http://www.hxgcszz.cn/zonghexinwen/2022/0425/887.html