Первый 2D механически связанный полимер получен командой учёных из американских университетов

Исследовательская группа Северо-Западного университета совместно с коллегами из Университета Дьюка, и Корнелльского университета совершила выдающийся прорыв в области химии, создав первый двумерный (2D) механически связанный полимерный материал.

Напоминая переплетенные звенья кольчуги, наноразмерный материал демонстрирует исключительную гибкость и прочность. При дальнейшей работе он может быть использован во всех областях, где требуются легкие, гибкие и прочные материалы.

Исследование, опубликованное в журнале Science, содержит сразу несколько новаций в этой области. Это не только первый 2D механически связанный полимер, но и новый материал, который содержит 100 триллионов механических связей на 1 квадратный сантиметр — самая высокая плотность механических связей, когда-либо достигнутая.

Исследователи создали этот материал, используя новый, высокоэффективный и масштабируемый процесс полимеризации.

«Мы создали совершенно новую полимерную структуру», — сказал профессор Северо-Западного университета Уильям Дихтель, руководитель 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 рассеять 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».

В течение многих лет исследователи пытались разработать механически связанные молекулы с полимерами, но обнаружили, что заставить полимеры образовывать механические связи практически невозможно.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда Дихтеля применила совершенно новый подход. Они начали с мономеров в форме буквы X — строительных блоков полимеров — и организовали их в особую, высокоупорядоченную кристаллическую структуру. Затем они ввели эти кристаллы в реакцию с другой молекулой, чтобы создать связи между молекулами внутри кристалла.

Полученные кристаллы состоят из слоев 2D-сцепленных полимерных листов. Внутри полимерных листов концы мономеров в форме буквы X связаны с концами других мономеров в форме буквы X. Затем через промежутки между ними продевается больше мономеров. Несмотря на свою жесткую структуру, полимер на удивление гибок. Команда Дихтеля также обнаружила, что растворение полимера в растворе приводит к тому, что слои сцепленных мономеров отслаиваются друг от друга.

«После того, как полимер сформирован, не так уж много удерживает структуру вместе», — сказал Дихтель. «Поэтому, когда мы помещаем его в растворитель, кристалл растворяется, но каждый 2D-слой удерживается вместе. Мы можем манипулировать этими отдельными листами».

Для изучения структуры в наномасштабе сотрудники Корнелльского университета под руководством профессора Дэвида Мюллера использовали передовые методы электронной микроскопии. Изображения выявили высокую степень кристалличности полимера, подтвердили его взаимосвязанную структуру и указали на его высокую гибкость.

Команда Дихтеля также обнаружила, что новый материал можно производить в больших количествах. Предыдущие полимеры, содержащие механические связи, обычно готовились в очень малых количествах с использованием методов, которые вряд ли можно было масштабировать. С другой стороны, команда Дихтеля изготовила полкилограмма своего нового материала и предполагает, что возможны даже большие количества, поскольку появляются их наиболее перспективные применения.

Вдохновленные внутренней прочностью материала, коллеги Дихтеля из Университета Дьюка во главе с профессором Мэтью Беккером добавили его в Ultem. Ultem, относящийся к тому же семейству, что и кевлар, является невероятно прочным материалом, который может выдерживать экстремальные температуры, а также кислотные и едкие химикаты. Исследователи разработали композитный материал из 97,5% волокна Ultem и всего 2,5% 2D-полимера. Этот небольшой процент значительно увеличил общую прочность и жесткость Ultem.

Дихтель предполагает, что новый полимер, разработанный его группой, может иметь будущее в качестве специального материала для легких бронежилетов и баллистических тканей.

«Нам предстоит провести еще много анализа, но мы можем сказать, что это повышает прочность этих композитных материалов», — сказал Дихтель. «Почти каждое свойство, которое мы измерили, было в каком-то смысле исключительным».

Авторы посвятили статью памяти бывшего учёного-химика Северо-Западного университета сэра Фрейзера Стоддарта, который ввел концепцию механических связей в 1980-х годах. В конечном итоге он развил эти связи в молекулярные машины, которые переключаются, вращаются, сжимаются и расширяются контролируемым образом. Стоддарт, скончавшийся в прошлом месяце, получил Нобелевскую премию по химии 2016 года за эту работу.

Источник