O echipă de cercetători condusă de Universitatea Northwestern (SUA) a dezvoltat cel mai puternic material de armură făcut vreodată. Acesta este primul material bidimensional mecanic interconectat, cu o mare flexibilitate și rezistență. Acest material ar putea fi utilizat în viitor pentru a dezvolta armuri ușoare dar de înaltă performanță și alte materiale rezistente.
În anii 1980, Fraser Stoddart, pe atunci chimist la Universitatea Northwestern, a introdus pentru prima dată conceptul de legături mecanice. Stoddart a extins ulterior rolul acestor legături în cadrul unor mașinării moleculare, care permit funcții precum comutarea, rotirea , contractarea și extinderea în mai multe moduri, folosind aceste legături pentru a dezvolta structuri interconectate, ceea ce i-a adus în 2016.
Cercetătorii au lucrat zeci de ani la dezvoltarea moleculelor mecanic interconectate cu polimeri, însă nu au reușit până acum.
Cel mai puternic material de armură a fost creat în laboratoarele Universității Northwestern
„În chimia organică, este destul de simplu să formezi așa-numitele ‘inele de dimensiuni medii’ care au între 5 și 8 atomi, dar aceste inele sunt prea mici pentru a introduce o altă moleculă prin ele”, a explicat William Dichtel, profesor de chimie la Universitatea Northwestern, pentru Interesting Engineering.
„În lucrarea noastră, se formează inele noi la fiecare unitate repetitivă din structura 2D, care sunt de 40 de atomi”, a adăugat Dichtel. Acest lucru a fost realizat printr-o abordare inovatoare care a pus sub semnul întrebării presupunerile anterioare despre cum reacționează moleculele.
Madison Bardot, doctorandă în laboratorul lui Dichtel, a dezvoltat un proces inovator folosind monomeri în formă de X ca elemente de construcție și dispunându-i într-o structură cristalină extrem de ordonată. Apoi a folosit o altă moleculă pentru a crea legături între .
Materialul rezultat constă din straturi de foi polimerice bidimensionale (2D) unde capetele monomerilor în formă de X sunt interconectate cu capetele altor monomeri în formă de X, iar alți monomeri sunt introduși între spațiile dintre aceștia. La un loc, materialul conține 100 de trilioane de legături mecanice pe centimetru pătrat, cea mai mare densitate realizată vreodată.
Un material cu potențial ridicat
Interesant este că echipa a descoperit și că dizolvarea polimerului într-o soluție le permite monomerilor interconectați să se desprindă unii de alții, ceea ce face posibilă manipularea foilor individuale. „Multe substanțe cristaline sunt fragile, dar polimerul nostru are o structură regulată și ordonată, totuși este foarte flexibil, deoarece fiecare legătură mecanică are un pic de spațiu pentru a se mișca”, a explicat Dichtel.
„Atunci când se aplică o forță ușoară asupra polimerului, acesta devine extrem de flexibil, dar dacă se aplică mai multă forță, materialul devine mai rigid, deoarece legăturile mecanice se întind local până la limitele lor. Această proprietate se numește ‘întărire prin tensiune’ și este de mare interes pentru materiale ductile și mecanic rezistente”, a continuat omul de știință.
Dincolo de proprietățile mecanice, arhitectura polimerică are caracteristici interesante care pot fi explorate pentru noi aplicații. Colaboratorii lui Dichtel de la Universitatea Duke (SUA) au adăugat acest polimer nou dezvoltat la Ultem, o fibră din aceeași familie cu Kevlarul, dar care poate rezista la temperaturi extreme și expunere chimică. Folosind doar 2,5% din polimer, s-a crescut enorm rezistența și durabilitatea materialului. Acest lucru ar putea fi folosit pentru a fabrica creat vreodată sau protecție balistică.
Deși polimerii care conțin legături mecanice au fost sintetizați anterior la scară mică, această abordare a ajutat echipa lui Dichtel să obțină jumătate de kilogram de material. Acest lucru arată că abordarea este foarte scalabilă.
„Poate cel mai provocator aspect a fost să demonstrăm că într-adevăr avem structura mecanic interconectată propusă; a fost nevoie de o echipă cu expertiză diversă, de chimiști, microscopiști și ingineri pentru a descoperi cum să facem materialele și apoi cum să le studiem efectiv”, a adăugat Dichtel.
Descoperirile au fost publicate în revista Science.