日本語
EnglishMới đây, các nhà nghiên cứu của MIT đã tạo ra một loại polymer 2 chiều có khả năng tự lắp ráp để tạo thành dạng tấm với cường độ mạnh gấp đôi thép dù vật liệu chỉ có mật độ bằng một phần sáu so với thép. Loại polymer này cho thấy tiếm năng ứng dụng vào các loại lớp phủ nhẹ, bền cho các bộ phận xe hơi hoặc điện thoại di động, hoặc ứng dụng làm vật liệu xây dựng cho cầu hay các cấu trúc khác.
Trước phát kiến đột phá này, các nhà khoa học tin rằng việc tạo ra các loại polymer để hình thành tấm vật liệu hai chiều là điều bất khả thi. Polymer thường chỉ hình thành các cấu trúc sợi một chiều giống như sợi mỳ Ý. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhất trí rằng không thể duy trì cấu trúc dạng tấm hai chiều cho polymer. Một trong những lý do chính là nếu có một mắt xích monomer quay lên hoặc xuống, ra khỏi chiều mặt phẳng của tấm, vật liệu sẽ bị nở ra theo ba chiều và cấu trúc tấm hai chiều sẽ không được duy trì, theo Anne Trafton từ Văn phòng Tin tức của MIT.
Trong nghiên cứu mới này, Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT, và đồng nghiệp của ông đã phát triển thành công quy trình trùng hợp sử dụng hợp chất melamine, chứa cấu trúc vòng nguyên tử carbon và nito. Trong điều kiện phù hợp, các monomer này có thể thể phát triển theo hai chiều, tạo thành các đĩa. Các đĩa cấu trúc này xếp chồng lên nhau, được gia cố bằng liên kết hydro giữa các lớp để hình thành một cấu trúc rất ổn định và có độ bền mạnh.
Strano nói với Trafton: “Thay vì tạo ra một cấu trúc phân tử giống sợi mì Ý, chúng ta có thể tạo ra một mặt phẳng phân tử giống như tấm, nơi các phân tử tự kết nối với nhau ở dạng hai chiều”. “Cơ chế này được diễn ra một cách tự nhiên trong dung dịch, và sau khi chúng tôi tổng hợp vật liệu, chúng tôi có thể dễ dàng xử lý kéo giãn thành các màng mỏng có độ bền vượt trội”. Các nhà nghiên cứu đã minh họa khả năng của loại vật liệu này bằng cách phủ bề mặt bằng màng vật liệu mới mà họ đặt tên là 2DPA-1.
Theo các nhà nghiên cứu, khả năng đàn hồi modun của vật liệu mới cao hơn bốn đến sáu lần so với kính chống đạn, độ bền chảy của nó cao gấp đôi so với thép mặc dù mật độ chỉ bằng một phần sáu so với thép.
Matthew Tirrell, Phó Hiệu trưởng của Trường Kỹ thuật Phân tử Prizker thuộc Đại học Chicago cho hay: “Một trong những khía cạnh quan trọng của loại vật liệu mới là chúng có thể dễ dàng được xử lý trong dung môi dung dịch, điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều ứng dụng mới yêu cầu tỷ suất độ bền trên trọng lượng cao là vô cùng quan trọng, giống như những loại vật liệu tổng hợp hay tấm chắn khuếch tán mới”. Matthew Tirrell không tham gia vào trong nghiên cứu phát triển vật liệu này.
Loại polymer mới được tổng hợp từ các monomer với cấu trúc khóa lại và lắp ghép với nhau giống như các mảnh lego, không để lại khoảng trống nên 2DPA-1 không cho phép không khí đi qua. Strano cho biết: “Điều này có thể cho phép chúng tôi tạo ra các lớp phủ siêu mỏng với khả năng chắn hoàn toàn nước howacj không khí đi quá.” “Loại lớp phủ chắn này có thể được ứng dụng để phủ lớp bảo vệ kim loại trong ô tô, các phương tiện giao thông khác hoặc các kết cấu thép”.
Một bài báo mô tả nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí Nature vào ngày 2 tháng 2 với Strano là tác giả cấp cao và Yuwen Zeng của MIT là tác giả chính.
Các nhà nghiên cứu đã đăng ký hai bằng sáng chế về quy trình được sử dụng để tạo ra vật liệu.
Hiện họ đang nghiên cứu cách loại polymer đặc biệt này hình thành cấu trúc tấm hai chiều và thử nghiệm thay đổi cấu trúc phân tử của nó để tạo ra các loại vật liệu mới khác, theo bài báo trên.
Nghiên cứu hiện đang được tài trợ bởi Trung tâm vận chuyển vi dòng chảy tăng cường (CENT), một trong những đơn vị của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Biên giới được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội.