В том, что они называют «самой высокой плотностью механических связей, когда-либо достигнутой», исследователи создали сверхпрочный гибкий материал, который работает очень похоже на кольчугу. Этот прорыв уже продемонстрировал его способность улучшать бронежилет.
В мире химии заставить полимеры (длинные цепи больших молекул) образовывать механические связи внутри своих структур оказалось чрезвычайно сложной задачей. В отличие от химических связей, которые включают в себя совместное использование электронов атомами или воздействие электростатических сил между ними, механические связи включают в себя молекулы, физически пронизывающие друг друга.
Однако теперь прорывная технология в Северо-Западном университете (NU) преодолела эту проблему. Исследователи там создали двумерные листы из мономеров в форме буквы X, которые являются строительными блоками полимеров. (В химии двумерными объектами являются те, которые состоят всего из одного слоя атомов.) Мономеры были составлены из молекул, содержащих четыре протяженные ароматические группы, что придало им форму буквы X.
Затем они наслаивали эти листы в кристаллическую структуру и уговаривали концы всех X-ов прикрепиться друг к другу посредством введения химического вещества, известного как диалкилдихлорсилан. Больше слоев заставляло больше мономеров распространяться и соединяться через решетку, в результате чего получалась серия петель, сплетенных вместе в сверхпрочную паутину, похожую на металлические звенья в кольчуге.
Исследователи утверждают, что новый материал имеет 100 триллионов механических связей на каждый квадратный сантиметр, что делает его веществом с самой высокой плотностью этих связей из когда-либо созданных.
«Мы создали совершенно новую полимерную структуру», — сказал Уильям Дихтель из Northwestern, автор-корреспондент исследования. «Она похожа на кольчугу в том, что ее нельзя легко порвать, потому что каждая из механических связей имеет немного свободы для скольжения. Если вы потянете ее, она может рассеивать приложенную силу в нескольких направлениях. И если вы захотите разорвать ее, вам придется разорвать ее во многих, многих разных местах. Мы продолжаем изучать ее свойства и, вероятно, будем изучать ее в течение многих лет».
Содержание
Ultra Ultem
После экспериментов с материалом исследователи обнаружили, что, в отличие от предыдущих механически связанных материалов, его можно производить в больших количествах. В ходе испытаний они произвели килограмм материала и полагают, что возможны даже большие количества.
Исследуя практическую природу нового материала, коллеги Дихтеля в Университете Дьюка добавили его к чему-то известному как Ultem, очень прочному материалу, похожему на кевлар, который может выдерживать удары, едкие химикаты и экстремальные температуры. Команда Дьюка обнаружила, что добавление всего 2,5% нового материала к Ultem увеличило показатель прочности, известный как его модуль растяжения, на 45%.
«Нам предстоит провести гораздо больше анализа, но мы можем сказать, что это повышает прочность этих композитных материалов», — заключил Дихтель. «Почти каждое свойство, которое мы измерили, было исключительным в некотором роде». Это, по его словам, может сделать новый материал идеальным для разработки новой легкой брони или других баллистических тканей.
Посвящение
Исследователи посвятили свое исследование, опубликованное в журнале Science, сэру Фрейзеру Стоддарту, бывшему коллеге-химику из Северо-Запада, который получил Нобелевскую премию по химии в 2016 году за свою работу по исследованию механических связей.
«Молекулы не просто пронизывают друг друга сами по себе, поэтому Фрейзер разработал гениальные способы шаблонизации взаимосвязанных структур», — сказал Дихтель, который был постдокторантом в лаборатории Стоддарта в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Но даже эти методы не стали достаточно практичными для использования в больших молекулах, таких как полимеры. В нашей настоящей работе молекулы прочно удерживаются на месте в кристалле, который задает шаблон для образования механической связи вокруг каждой из них.
«Итак, эти механические связи имеют давнюю традицию в Северо-Западном университете, и мы с нетерпением ждем возможности исследовать их возможности способами, которые до сих пор были невозможны».
