Vật liệu polymer tấm 2D siêu bền vững

Michael Strano, GS Kỹ thuật Hóa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết, vật liệu mới là một polymer 2D, tự lắp ráp thành tấm, được sử dụng làm lớp phủ bền vững, nhẹ cho những bộ phận ô tô, điện thoại di động, sử dụng làm vật liệu xây dựng các cấu trúc bền vững do có những tính chất đặc biệt.

Ảnh: phim polymer của nhóm nghiên cứu, Christine Daniloff, MIT.

Phân tử polymer bao gồm các chuỗi khối kết cấu được gọi là monome. Những chuỗi này phát triển bằng cách kết nối thêm những phân tử mới vào hai đầu. Sau khi hình thành, polymer có thể được định hình thành các vật thể ba chiều bằng phương pháp ép phun.

Các chuyên gia polymer đưa ra giả thuyết, nếu polymer phát triển thành tấm 2D sẽ tạo thành những vật liệu cực kỳ bền và nhẹ. Nhưng trong nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học vẫn không thành công. Nguyên nhân chủ yếu là chỉ cần một monome quay lên hoặc quay xuống khỏi mặt phẳng của tấm, vật liệu sẽ nở ra theo ba chiều và cấu trúc tấm 2D bị phá hủy.

Trong nghiên cứu này, nhóm nhà khoa học của GS Strano sử dụng quy trình trùng hợp mới, cho phép tạo ra tấm hai chiều, được gọi là polyaramide. Nhóm nghiên cứu sử dụng hợp chất melamine, chứa một vòng nguyên tử carbon và nitơ để chế tạo các khối kết cấu monome. Trong điều kiện thích hợp, những monome này phát triển theo hai chiều tạo thành các đĩa 2D. Những đĩa này xếp chồng lên và gắn kết bằng những liên kết hydro, tạo lên cấu trúc 3D ổn định và bền vững.

Như vậy, thay vì tạo ra polymer sợi phân tử như mì spaghetti, nhóm nghiên cứu tạo ra mặt phẳng phân tử tấm, những phân tử tự kết nối với nhau theo hai chiều. Cơ chế này diễn ra tự nhiên trong dung dịch, sau khi tổng hợp vật liệu có thể dễ dàng kéo thành các màng mỏng siêu bền vững.

Do vật liệu tự kết hợp trong dung dịch nên có thể được sản xuất với số lượng lớn, khi tăng lượng nguyên liệu ban đầu. Vật liệu polymer 2D cực kỳ bền và mỏng, được gọi là 2DPA-1 và có thể sử dụng để phủ lên các bề mặt khác nhau.

Các nhà nghiên cứu xác định được, modulus đàn hồi của vật liệu mới (thước đo lượng lực cần thiết làm biến dạng vật liệu) lớn hơn từ 4 đến 6 lần so với kính chống đạn, giới hạn cường lực, hoặc lượng lực cần thiết để phá vỡ vật liệu, gấp 2 lần so với thép dù vật liệu này chỉ có mật độ bằng 1/6 mật độ phân tử thép.

Một tính chất đặc biệt của vật liệu 2DPA-1 là không thấm không khí. Những polymer khác, có kết cấu từ các chuỗi xoắn lò xo có các khoảng trống, cho phép không khí thấm qua, nhưng vật liệu mới làm từ các monome liên kết khóa như LEGO, khiến các phân tử khí không thể lọt qua.

Tính chất này có thể cho phép tạo ra những lớp phủ siêu mỏng, phủ kín vật liệu ngăn chặn hoàn toàn nước hoặc không khí. Lớp phủ bền vững này được sử dụng để bảo vệ kim loại trên các phương tiện thường tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt như các kết cấu thép công trình hoặc các phương tiện giao thông.