美國麻省理工學院的化學工程師使用壹種創新的聚合工藝，開發出了壹種比鋼更堅固、重量卻輕如塑料的新材料，並且這種材料易於大批量制造。
這種新型材料是壹種二維聚合物，可以自組合成薄片。與其他所有聚合物不同，壹般聚合物往往只能聚合形成壹維的、像意大利面壹樣的長鏈狀，截至目前，科學家們壹直認為誘導聚合物形成二維片材是不可能的。
麻省理工學院化學工程教授、本項全新研究工作的主要負責人Michael Strano表示，過去人們通常不認為塑料可以用作建築物結構材料，但使用這種全新的材料，可以創造新事物。這種新材料具有非比尋常、令人興奮的特性，可以用作 汽車 零件或者手機輕質耐用塗層，此外還可用作橋梁或其他結構的建築材料。
研究人員已經就生成這種材料的過程申請了兩項專利，相關研究成果已經發表在《自然》期刊中的壹篇論文。麻省理工學院博士後Yuwen Zeng是該研究的主要作者。
二維材料
包括所有塑料在內的聚合物是由單體組成的結構單元重復聚合成鏈而成。這些鏈通過在其末端不斷添加新的結構單元形成長鏈。壹旦聚合過程完成，聚合物就可以使用註塑成型的方式，制造三維物體，如水瓶等。
材料科學界長期以來壹直存在壹種假設：如果可以誘導聚合物生長成二維片材，它們應該會形成極其堅固、輕質的材料。不過在該領域經過數十年研究後，科學家們得出的結論是這種材料不可能實現。其中的重要原因是，在聚合過程中只要有壹個單體向上或向下旋轉，超出二維平面，材料就會在三個維度上膨脹生長，片狀結構將丟失。
然而，在此次進行的新研究中，Strano和他的同事們提出了壹種全新聚合工藝，能夠生成壹種被稱為聚芳酰胺的二維片材。其中單體結構單元使用的是壹種名為三聚氰胺的化合物，它含有壹個碳氮原子環。在適當的條件下，這種單體可以二維生長，形成圓盤狀材料。這些圓盤相互堆疊，通過層間的氫鍵結合在壹起，使結構非常穩定和牢固。
Strano表示，全新聚合工藝可以制造出片狀分子面，而不是過去形成的制造壹個類似意大利面的長分子鏈，因此能夠實現在二維尺度上將分子面自動連接在壹起。這種聚合機理可在溶液中自動發生，當材料聚合完成後，可輕松地旋轉鍍膜形成非常堅固的薄膜。
由於材料在溶液中可自組合，因此可以通過簡單地增加起始原料量實現大量制造。研究人員表示，這種材料薄膜可塗覆在其他物體表面上，材料牌號為2DPA-1。
Strano表示，隨著這項科研工作取得的進步，人類擁有了二維高分子，這將有助於更容易地制成非常堅固且極薄的新材料。
輕質且高強
研究人員進壹步研究顯示，新材料的彈性模量——即使材料變形所需的力——比防彈玻璃高4到6倍。此外，盡管這種材料的密度只有鋼的六分之壹，但它的屈服強度——破壞材料所需的力——是鋼的2倍。
芝加哥大學普利茲克分子工程學院院長Matthew Tirrell表示，這項新技術“體現了壹種非常有創意的化學方法，可以制造這種相互連結的二維聚合物”。
Tirrell表示，能夠形成這種全新聚合物的重要原因是它易於在溶液中生成，由於材料具有很好的比強度，這將促進許多新的應用，例如新的復合材料或液體中防止擴散的膜材料等。
2DPA-1的另壹個關鍵特性是它不透氣。其他聚合物材料壹般都是由長鏈盤繞而成，分子間帶有間隙，可以讓氣體滲入。但是這種新材料是由像樂高積木壹樣拼接在壹起的單體制成，氣體分子無法從中間穿過。
利用這種性質，人們可以創造出可完全防止水或氣體通過的超薄塗層。這種阻隔塗層可用於保護 汽車 和其他裝備中使用的金屬結構表面。
Strano研究團隊正在就這種特殊聚合物能夠形成二維片材的機理進行更詳細的研究。此外，研究人員正在嘗試改變分子構成以創造其他類型的新型材料。
該研究由美國能源部科學辦公室所屬的增強納米流體運輸中心（CENT）和美國陸軍研究實驗室資助。（陳濟桁）