一种可自组装成薄片、并可卷成管状的二维聚合物，强度超过钢材，重量却与塑料相当。
这种材料可用作汽车零部件或手机的轻质耐用涂层，也可用作桥梁或其他结构的建筑材料。
长期以来，聚合物科学家一直认为，如果能促使聚合物生长成二维薄片，就应该能制成强度极高、重量轻的材料。
麻省理工学院的化学工程师利用一种新颖的聚合过程，制成了一种强度超过钢材、重量却与塑料相当的新材料，而且可以轻松实现大规模生产。
这种新材料是一种可自组装成薄片的二维聚合物，不同于其他所有聚合物形成的一维意大利面状链条。此前，科学家一直认为不可能促使聚合物形成二维薄片。
麻省理工学院化学工程系Carbon P. Dubbs讲席教授、这项新研究的资深作者Michael Strano表示，这种材料可用作汽车零部件或手机的轻质耐用涂层，也可用作桥梁或其他结构的建筑材料。
“我们通常不会想到塑料可以用来支撑建筑物，但有了这种材料，就能实现新的用途，”他说。“它的特性非常特别，我们对此感到十分兴奋。”
研究人员已就他们用于制备这种材料的工艺申请了两项专利，并在今天发表于《自然》的一篇论文中介绍了这一工艺。麻省理工学院博士后Yuwen Zeng是该研究的第一作者。
二维结构
聚合物包括所有塑料，由称为单体的构件串联而成。这些链条通过在末端添加新分子而增长。聚合物形成后，可通过注塑成型制成水瓶等三维物体。
长期以来，聚合物科学家一直认为，如果能促使聚合物生长成二维薄片，就应该能制成强度极高、重量轻的材料。然而，数十年来该领域的研究都得出结论：这种薄片无法制成。其中一个原因是，只要有一个单体向上或向下转动，偏离正在生长的薄片平面，材料就会开始向三维方向扩展，片状结构也会随之消失。
然而，在这项新研究中，Strano及其同事提出了一种新的聚合过程，能够制备一种称为聚芳酰胺的二维薄片。作为单体构件，他们使用了一种名为三聚氰胺的化合物，其中含有由碳原子和氮原子构成的环。在适当条件下，这些单体可以沿二维方向生长，形成圆盘。这些圆盘层层堆叠，由层间的氢键连接在一起，使结构非常稳定且坚固。
Strano说：“我们不再制造意大利面状的分子，而是可以制成片状的分子平面，让分子在二维空间中自行连接起来。这一机制会在溶液中自发发生；材料合成后，我们可以轻松通过旋涂制成强度极高的薄膜。”
由于这种材料能在溶液中自组装，只需增加起始材料的用量，就可以大规模生产。研究人员展示了如何用这种材料制成薄膜涂覆表面，并将其命名为2DPA-1。
Strano说：“有了这项进展，我们获得了平面分子，更容易将其制成强度很高、但极薄的材料。”
轻质而坚固
研究人员发现，这种新材料的弹性模量——衡量材料发生形变所需力的指标——是防弹玻璃的4至6倍。他们还发现，这种材料的屈服强度，即使其破裂所需的力，是钢材的两倍，尽管其密度仅约为钢材的六分之一。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长Matthew Tirrell表示，这种新技术“体现了极具创造性的化学方法，能够制成这些键合的二维聚合物”。
Tirrell说：“这些新型聚合物的一个重要特点是易于在溶液中加工，这将有助于推动许多新应用。当高强度重量比至关重要时，例如用于新型复合材料或扩散阻隔材料，这种特性尤其有用。”Tirrell没有参与这项研究。
2DPA-1的另一项关键特性是气体无法透过。其他聚合物由卷曲的链条构成，链条之间的空隙允许气体渗入；而这种新材料由相互锁合的单体构成，就像乐高积木一样，分子无法从单体之间穿过。
Strano说：“这或许能让我们制成超薄涂层，完全阻止水或气体穿透。这类阻隔涂层可用于保护汽车和其他车辆中的金属，或保护钢结构。”
Strano和他的学生目前正在进一步研究这种特定聚合物如何形成二维薄片，并尝试改变其分子组成，以创造其他类型的新材料。
这项研究由增强纳米流体传输中心（CENT）和陆军研究实验室资助。增强纳米流体传输中心是一家能源前沿研究中心，由美国能源部科学办公室资助。
