วัสดุใหม่นี้เป็นพอลิเมอร์สองมิติที่ทำจากเมลามีนซึ่งสามารถประกอบตัวเองเป็นแผ่นได้ ต่างจากพอลิเมอร์อื่นๆ ที่มักก่อตัวเป็นสายโซ่แบบเส้นสปาเก็ตตี้ในมิติเดียว ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการทำให้พอลิเมอร์ก่อตัวเป็นแผ่นสองมิตินั้นเป็นไปไม่ได้
Michael Strano ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี Carbon P. Dubbs แห่ง MIT และผู้เขียนอาวุโสของผลการศึกษาใหม่นี้กล่าวว่า วัสดุดังกล่าวสามารถใช้เป็นวัสดุเคลือบที่มีน้ำหนักเบาและทนทานสำหรับชิ้นส่วนรถยนต์หรือโทรศัพท์มือถือ หรือเป็นวัสดุก่อสร้างสำหรับสะพานหรือโครงสร้างอื่นๆ ได้
“โดยปกติแล้วเราไม่คิดว่าพลาสติกจะสามารถนำมาใช้รองรับอาคารได้ แต่ด้วยวัสดุชนิดนี้ คุณสามารถสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ ได้” เขากล่าว “พลาสติกมีคุณสมบัติที่แปลกใหม่มาก และเราตื่นเต้นกับเรื่องนี้มาก”
นักวิจัยได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรสองฉบับสำหรับกระบวนการที่พวกเขาใช้ในการสร้างวัสดุดังกล่าว ซึ่งพวกเขาได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารNature ในวันนี้ Yuwen Zeng นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ MIT เป็นผู้เขียนหลักของการศึกษาครั้งนี้
สองมิติ
พอลิเมอร์ซึ่งรวมถึงพลาสติกทั้งหมดประกอบด้วยโซ่ขององค์ประกอบพื้นฐานที่เรียกว่าโมโนเมอร์ ซึ่งโซ่เหล่านี้จะเติบโตโดยการเพิ่มโมเลกุลใหม่เข้าไปที่ปลาย เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ก็สามารถขึ้นรูปพอลิเมอร์ให้เป็นวัตถุสามมิติ เช่น ขวดน้ำ โดยใช้การฉีดขึ้นรูป
นักวิทยาศาสตร์ด้านโพลีเมอร์ได้ตั้งสมมติฐานมานานแล้วว่า หากสามารถชักนำโพลีเมอร์ให้เติบโตเป็นแผ่นสองมิติได้ ก็ควรจะสร้างวัสดุที่มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบามาก อย่างไรก็ตาม จากการทำงานในสาขานี้เป็นเวลาหลายทศวรรษได้ข้อสรุปว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแผ่นดังกล่าวขึ้นมา เหตุผลประการหนึ่งก็คือ หากโมโนเมอร์เพียงตัวเดียวหมุนขึ้นหรือลงจากระนาบของแผ่นที่กำลังเติบโต วัสดุจะเริ่มขยายตัวในสามมิติ และโครงสร้างคล้ายแผ่นจะหายไป
อย่างไรก็ตาม ในการศึกษาใหม่นี้ Strano และเพื่อนร่วมงานได้คิดค้นกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบใหม่ที่ช่วยให้พวกเขาสร้างแผ่นสองมิติที่เรียกว่าโพลีอะราไมด์ได้ สำหรับบล็อกการสร้างโมโนเมอร์ พวกเขาใช้สารประกอบที่เรียกว่าเมลามีน ซึ่งประกอบด้วยวงแหวนอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจน ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม โมโนเมอร์เหล่านี้สามารถเติบโตในสองมิติจนกลายเป็นแผ่นดิสก์ แผ่นดิสก์เหล่านี้จะวางซ้อนกันโดยยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างชั้น ซึ่งทำให้โครงสร้างมีความเสถียรและแข็งแรงมาก
“แทนที่จะสร้างโมเลกุลที่มีลักษณะเหมือนเส้นสปาเก็ตตี้ เราสามารถสร้างระนาบโมเลกุลที่มีลักษณะเหมือนแผ่น ซึ่งเราจะทำให้โมเลกุลเชื่อมต่อกันเป็นสองมิติได้” สตราโนกล่าว “กลไกนี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในสารละลาย และหลังจากที่เราสังเคราะห์วัสดุแล้ว เราก็สามารถเคลือบฟิล์มบางๆ ที่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษได้อย่างง่ายดาย”
เนื่องจากวัสดุสามารถประกอบตัวเองในสารละลายได้ จึงสามารถผลิตได้ในปริมาณมากโดยเพียงแค่เพิ่มปริมาณวัสดุเริ่มต้น นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถเคลือบพื้นผิวด้วยฟิล์มของวัสดุ ซึ่งพวกเขาเรียกว่า 2DPA-1
“ด้วยความก้าวหน้าครั้งนี้ เราจะมีโมเลกุลแบบระนาบที่ง่ายต่อการสร้างเป็นวัสดุที่แข็งแรงแต่บางมาก” สตราโนกล่าว
เบา แต่แข็งแรง
นักวิจัยพบว่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุชนิดใหม่ ซึ่งเป็นหน่วยวัดแรงที่ใช้ในการบิดวัสดุนั้น มีค่ามากกว่าโมดูลัสของกระจกกันกระสุนถึง 4 ถึง 6 เท่า นอกจากนี้ พวกเขายังพบอีกว่าค่าจุดยืดหยุ่นหรือแรงที่ใช้ในการหักวัสดุนั้นมีค่ามากกว่าเหล็กถึง 2 เท่า แม้ว่าวัสดุชนิดนี้จะมีความหนาแน่นเพียงประมาณหนึ่งในหกของเหล็กก็ตาม
คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของ 2DPA-1 คือไม่สามารถผ่านก๊าซเข้าไปได้ ในขณะที่พอลิเมอร์ชนิดอื่นทำมาจากโซ่ขดที่มีช่องว่างให้ก๊าซสามารถซึมผ่านได้ วัสดุชนิดใหม่นี้ทำมาจากโมโนเมอร์ที่ยึดติดกันเหมือนเลโก้ และโมเลกุลไม่สามารถแทรกผ่านระหว่างโมโนเมอร์ได้
“สิ่งนี้อาจช่วยให้เราสร้างสารเคลือบที่บางเป็นพิเศษซึ่งสามารถป้องกันน้ำหรือก๊าซไม่ให้ผ่านเข้าไปได้อย่างสมบูรณ์” สตราโนกล่าว “สารเคลือบกั้นชนิดนี้สามารถใช้ปกป้องโลหะในรถยนต์และยานพาหนะอื่นๆ หรือโครงสร้างเหล็กได้”
ขณะนี้ Strano และนักเรียนของเขากำลังศึกษาในรายละเอียดเพิ่มเติมว่าพอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถสร้างแผ่น 2 มิติได้อย่างไร และพวกเขากำลังทำการทดลองเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลเพื่อสร้างวัสดุประเภทใหม่ๆ ใหม่ๆ
งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากศูนย์ Enhanced Nanofluidic Transport (CENT) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยด้าน Energy Frontier ที่ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา และห้องปฏิบัติการวิจัยของกองทัพบก
ข่าวสารติดต่อ:
อีเมล: [ป้องกันอีเมล]
โทรศัพท์: + 86-28-8411 1861-