Nic ich nie przebije! Kamizelki kuloodporne będą niezawodne
Zespół badawczy Uniwersytetu Northwestern, kierowany przez naukowców specjalizujących się w chemii, stworzył pierwszy w historii dwuwymiarowy mechanicznie spleciony materiał, charakteryzujący się wyjątkową elastycznością i wytrzymałością. Odkrycie to może w przyszłości znaleźć zastosowanie w produkcji lekkich, a jednocześnie niezwykle wytrzymałych materiałów, jak pancerze ochronne.
Koncepcja mechanicznych wiązań została po raz pierwszy zaprezentowana w latach 80. przez Frasera Stoddarta, chemika z Uniwersytetu Northwestern, który za swoje osiągnięcia w tej dziedzinie w 2016 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Opracował on m.in. technologię umożliwiającą tworzenie molekularnych maszyn, jak przełączniki czy struktury zdolne do kurczenia się i rozszerzania.
Przez dekady naukowcy próbowali połączyć mechanicznie splecione molekuły z polimerami, jednak ich wysiłki nie przynosiły rezultatów. Jak wyjaśnia profesor William Dichtel, kluczowym wyzwaniem było stworzenie odpowiednich pierścieni molekularnych: - W chemii organicznej łatwo jest tworzyć pierścienie o wielkości 5–8 atomów, ale są one zbyt małe, by można było przez nie przewlec inną molekułę. W opisywanym badaniu udało się jednak stworzyć pierścienie o średnicy 40 atomów, co otworzyło nowe możliwości w projektowaniu mechanicznie splecionych struktur.
Nowatorski proces syntezy
Przełomowe osiągnięcie było możliwe dzięki pracy Madison Bardot, doktorantki w laboratorium Dichtela. Stworzyła ona proces wykorzystujący monomery w kształcie litery X jako podstawowe elementy budulcowe. Monomery te zostały zorganizowane w wysoce uporządkowane struktury krystaliczne, a następnie połączone za pomocą dodatkowych molekuł.
Rezultatem tego procesu jest materiał składający się z warstw dwuwymiarowych polimerowych arkuszy, w których końce monomerów są mechanicznie splecione. Każdy centymetr kwadratowy tego materiału zawiera aż 100 bilionów mechanicznych wiązań, co jest rekordową gęstością. Ciekawą właściwością materiału jest możliwość manipulacji pojedynczymi arkuszami po rozpuszczeniu polimeru w roztworze, co daje potencjał do dalszych badań i aplikacji.
Wiele substancji o wysokim stopniu krystaliczności jest kruchych, ale nasz polimer, mimo swojej uporządkowanej struktury, jest niezwykle elastyczny
Wyjątkowe właściwości i zastosowanie
Materiał wykazuje zdolność do „utwardzania przy rozciąganiu”, co oznacza, że przy lekkim nacisku jest elastyczny, ale staje się sztywniejszy, gdy siła jest większa. Nowo opracowany polimer został przetestowany w połączeniu z Ultemem – włóknem z tej samej rodziny co Kevlar, które wytrzymuje ekstremalne temperatury i ekspozycję na chemikalia.
Dodanie zaledwie 2,5 proc. nowego materiału znacząco zwiększyło wytrzymałość i trwałość Ultemu, co otwiera drogę do zastosowań w produkcji pancerzy i ochrony balistycznej. Jednym z najistotniejszych osiągnięć zespołu było opracowanie metody, która umożliwia produkcję materiału na dużą skalę - niemal pół kilograma w jednym procesie.
Największym wyzwaniem było udowodnienie, że rzeczywiście udało nam się stworzyć proponowaną strukturę mechanicznie splecioną. Wymagało to współpracy chemików, inżynierów polimerów i specjalistów od mikroskopii elektronowej
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 88 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
