Materialien: Wissenschaftler entwickeln eine Substanz, die so leicht wie Kunststoff, aber stärker als STAHL ist

Ein Material, das so leicht wie Kunststoff, aber stärker als Stahl und 4- bis 6-mal widerstandsfähiger als Panzerglas ist, könnte bald zum Schutz von Smartphone-Bildschirmen verwendet werden.

Die von Experten des Massachusetts Institute of Technology entwickelte Substanz erreicht etwas, das lange Zeit für unmöglich gehalten wurde – die Polymerisation in zwei Dimensionen.

Die Polymerisation ist ein Prozess, bei dem kleine Atome, die Monomere genannt werden, miteinander verbunden werden, um normalerweise lange, spaghettiartige Ketten zu bilden, die Polymere genannt werden.

Diese können dann mittels Spritzguss zu dreidimensionalen Objekten wie Wasserflaschen geformt werden.

Den Forschern ist es jedoch gelungen, ein Material zu schaffen, das sich stattdessen selbst zu zweidimensionalen Blättern zusammensetzt, die eher Lasagne als Spaghetti ähneln.

Diese als Polyaramide bezeichneten Schichten werden übereinander gestapelt und durch robuste Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, wodurch das Gesamtmaterial extrem robust wird.

Neben der Verbesserung von Telefongehäusen könnte das Polymer auch als Schutzbeschichtung auf Autoteilen oder als großflächiges Konstruktionsmaterial verwendet werden.

Die Substanz, die von Experten des Massachussets Institute of Technology entwickelt wurde, erreicht etwas, das lange Zeit für unmöglich gehalten wurde – die Polymerisation in zwei Dimensionen. Die Polymerisation ist ein Prozess, bei dem kleine Atome, die als „Monomere“ bezeichnet werden, miteinander verbunden werden, um normalerweise lange, spaghettiartige Ketten zu bilden, die als Polymere bezeichnet werden. Abgebildet: ein Foto des Polymerfilms des Teams, der über eine mit Löchern übersäte Oberfläche gespannt ist (das Loch in der Mitte rechts ist auch in den Film gemacht)

“Wir denken normalerweise nicht, dass Kunststoffe zur Stützung eines Gebäudes verwendet werden könnten, aber mit diesem Material können Sie neue Dinge ermöglichen”, sagte Professor Michael Strano, der die Studie leitete.

“Es hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften und wir freuen uns sehr darüber.”

Es wird seit langem angenommen, dass Polymere aus zweidimensionalen Folien zur Herstellung extrem leichter Materialien verwendet werden könnten.

Jahrzehntelange Untersuchungen führten jedoch zu dem Schluss, dass dies unmöglich war, teilweise weil nur ein Monomer aus der Wachstumsebene der Folie herausgedreht werden musste, damit das Ganze seine gewünschte Form verlor.

Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher eine Verbindung namens Melamin, die aus Kohlenstoff- und Stickstoffringen besteht und häufig zur Herstellung von Plastikgeschirr verwendet wird.

Das Team fand heraus, dass die Monomere in Melamin unter den richtigen Bedingungen verwendet werden können, um winzige zweidimensionale Scheiben zu züchten, die übereinander gestapelt werden, wobei jede Schicht durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird, was sie extrem stark und stabil macht.

“Anstatt ein spaghettiartiges Molekül herzustellen, können wir eine blattartige molekulare Ebene herstellen, in der wir Moleküle dazu bringen, sich in zwei Dimensionen miteinander zu verhaken”, sagte Professor Strano.

Das Material hat einen „Elastizitätsmodul“ – ein Maß für die Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt zu verformen – das vier- bis sechsmal höher ist als kugelsicheres Glas.

Unterdessen ist die zum Brechen des Polymers erforderliche Kraft, die sogenannte Streckgrenze, doppelt so hoch wie die von Stahl, obwohl sie nur etwa ein Sechstel der Dichte des Metalls beträgt.

Da sich das Material selbst zusammenbaut, kann es leicht in größeren Mengen hergestellt werden, indem man einfach die Mengen der Ausgangszutaten erhöht, so das Team.

Das Team fand heraus, dass die Monomere in Melamin unter den richtigen Bedingungen verwendet werden können, um winzige zweidimensionale Scheiben zu züchten, die übereinander gestapelt sind (wie abgebildet), wobei jede Schicht durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird, was sie extrem stark macht stabil

“Dieser Mechanismus tritt spontan in Lösung auf, und nachdem wir das Material synthetisiert haben, können wir ganz einfach dünne Filme aufschleudern, die außerordentlich stark sind”, sagte Professor Strano. Im Bild: ein hochauflösendes Rasterkraftmikroskopiebild des Polymerfilms des Teams

“Mit diesem Fortschritt haben wir planare Moleküle, die viel einfacher zu einem sehr starken, aber extrem dünnen Material geformt werden können”, sagte Professor Strano.

Das neue Material namens 2DPA-1 ist als Polyaramidfolie bekannt und kann zur Beschichtung anderer Materialien verwendet werden.

Im Gegensatz zu anderen Polymeren, deren aufgerollte Monomerketten Lücken zwischen sich lassen, durch die Gase durchsickern können, schließen sich die Monomere von 2DPA-1 wie LEGO-Steine ​​fest aneinander und machen sie ziemlich undurchlässig.

“Dies könnte es uns ermöglichen, ultradünne Beschichtungen herzustellen, die das Eindringen von Wasser oder Gasen vollständig verhindern können”, erklärte Professor Strano.

„Eine starke Amid-Aromaten-Konjugation hemmt die Rotation außerhalb der Ebene; in der Zwischenzeit die Zwischenschicht-Wasserstoffbindung […] kann es wachsenden Scheiben ermöglichen, Monomere aus der Lösung zu absorbieren und sie automatisch auf 2D-Oberflächen zu modellieren“, schrieben die Forscher. Im Bild: Die starke Konjugation macht es für die molekularen Scheiben energetisch günstiger, sich an derselben Stelle zu verbinden

“Diese Art von Barrierebeschichtung könnte verwendet werden, um Metall in Autos und anderen Fahrzeugen oder Stahlkonstruktionen zu schützen.”

Die Forscher haben zwei Patente für das Verfahren zur Herstellung ihres neuen Materials angemeldet.

Das Team untersucht nun genau, wie ihr Polymer zweidimensionale Schichten bilden kann, um zu sehen, ob sie andere Arten von neuartigen und potenziell nützlichen Materialien herstellen können.

Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.