Die Wissenschaft respektiert keine Zeitpläne. Manchmal braucht es Jahre oder sogar Jahrzehnte an Experimenten, Sackgassen und Fehlschlägen, bis ein Durchbruch gelingt. Wissenschaftler am MIT haben zwei Jahrzehnte lang versucht, ein zweidimensionales Polymer herzustellen, etwas, das all ihre Theorien und Modelle für möglich hielten, aber niemals im Labor hergestellt werden konnten. Wissenschaftler hatten sich davon überzeugt, dass es unmöglich sei, Polymere dazu zu bringen, 2D-Folien zu bilden.
Laut einer MIT-Blog Post haben Chemieingenieure am MIT ein neues Material entwickelt, das einen neuartigen Polymerisationsprozess verwendet, der stärker als Stahl und so leicht wie Kunststoff ist. Das Beste daran ist, dass es leicht in großen Mengen hergestellt werden kann. Vor diesem Durchbruch bildeten alle Polymere eindimensionale, spaghettiartige Ketten. Das neue Material ist ein zweidimensionales Polymer, das sich selbst zu Schichten zusammensetzt.
Es könnte als leichte, haltbare Beschichtung für Autoteile oder Mobiltelefone oder als Baumaterial für Brücken oder andere Strukturen verwendet werden, sagt Michael Strano, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und leitender Autor der neuen Forschungsstudie. „Wir betrachten Kunststoffe normalerweise nicht als etwas, mit dem man ein Gebäude stützen könnte, aber mit diesem Material können Sie neue Dinge ermöglichen“, sagt er. „Es hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften und wir freuen uns sehr darüber.“
Polymere und Monomere
Polymere, zu denen alle Kunststoffe gehören, bestehen aus Ketten von Bausteinen, den Monomeren. Diese Ketten wachsen, indem sie neue Moleküle an ihre Enden anfügen. Einmal geformt, können Polymere unter Verwendung von Spritzgusstechniken zu dreidimensionalen Objekten wie Wasserflaschen geformt werden.
Polymerwissenschaftler haben lange die Hypothese aufgestellt, dass, wenn Polymere dazu gebracht werden könnten, zu einer zweidimensionalen Folie zu wachsen, sie extrem starke, leichte Materialien bilden müssten. Viele Jahrzehnte der Arbeit auf diesem Gebiet führten jedoch zu dem Schluss, dass es unmöglich war, solche Blätter herzustellen. Ein Grund dafür war, dass, wenn nur ein Monomer aus der Ebene der wachsenden Folie heraus nach oben oder unten rotiert, das Material beginnt, sich in drei Dimensionen auszudehnen und die flächige Struktur verloren geht.
In der neuen Studie entwickelten Strano und seine Kollegen jedoch ein neues Polymerisationsverfahren, mit dem sie eine zweidimensionale Folie namens Polyaramid erzeugen können. Für die Monomerbausteine verwenden sie eine Verbindung namens Melamin, die einen Ring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen enthält. Unter den richtigen Bedingungen können diese Monomere in zwei Dimensionen wachsen und Scheiben bilden. Diese Scheiben stapeln sich übereinander und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Schichten zusammengehalten, was die Struktur sehr stabil und stark macht.
Ich war vielleicht am College ein Versager in organischer Chemie, aber ich weiß, dass Wasserstoffbrückenbindungen zu den stärksten in der Welt der Chemie gehören. Das ist einer der Gründe, warum es so viel Energie braucht, um die Wasserstoff- und Sauerstoffatome in einem Wassermolekül auseinander zu brechen.
„Anstatt ein Spaghetti-ähnliches Molekül herzustellen, können wir eine blattähnliche molekulare Ebene herstellen, in der wir Moleküle dazu bringen, sich in zwei Dimensionen zusammenzuhaken“, sagt Strano. „Dieser Mechanismus tritt spontan in Lösung auf, und nachdem wir das Material synthetisiert haben, können wir problemlos dünne Filme mit außergewöhnlicher Festigkeit aufschleudern.“
Da sich das Material in Lösung selbst zusammensetzt, kann es in großen Mengen hergestellt werden, indem einfach die Menge der Ausgangsmaterialien erhöht wird. Die Forscher zeigten, dass sie Oberflächen mit Filmen des Materials beschichten konnten, das sie 2DPA-1 nennen. „Mit diesem Fortschritt haben wir planare Moleküle, die viel einfacher zu einem sehr starken, aber extrem dünnen Material geformt werden können“, sagt Strano.
Leicht, aber stark
Die Forscher fanden heraus, dass 2DPA-1 einen Elastizitätsmodul hat – ein Maß dafür, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein Material zu verformen – das zwischen 4 und 6 Mal größer ist als das von kugelsicherem Glas. Sie fanden auch heraus, dass seine Streckgrenze – ein Maß dafür, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein Material zu brechen – doppelt so hoch ist wie die von Stahl. Dabei hat es nur etwa ein Sechstel der Dichte von Stahl.
Matthew Tirrell, Dekan der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt, die neue Technik „verkörpert eine sehr kreative Chemie, um diese gebundenen 2D-Polymere herzustellen. Ein wichtiger Aspekt dieser neuen Polymere ist, dass sie leicht in Lösung verarbeitet werden können, was zahlreiche neue Anwendungen ermöglichen wird, bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wichtig ist, wie z. B. neue Verbund- oder Diffusionssperrmaterialien.“
Undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten
Ein weiteres wichtiges Merkmal von 2DPA-1 ist, dass es für Gase und Flüssigkeiten undurchlässig ist. Während andere Polymere aus gewundenen Ketten mit Lücken bestehen, die Gase und Flüssigkeiten durchsickern lassen, besteht das neue Material aus Monomeren, die wie LEGOs ineinandergreifen, was bedeutet, dass sich Gas- und Flüssigkeitsmoleküle nicht dazwischen quetschen können. „Dies könnte es uns ermöglichen, ultradünne Beschichtungen herzustellen, die das Eindringen von Wasser oder Gasen vollständig verhindern können“, sagt Strano. „Diese Art von Barrierebeschichtung könnte verwendet werden, um Metall in Autos und anderen Fahrzeugen oder Stahlkonstruktionen zu schützen.“
Strano und seine Studenten untersuchen nun detaillierter, wie dieses spezielle Polymer 2D-Schichten bilden kann, und sie experimentieren mit der Veränderung seines molekularen Aufbaus, um andere Arten neuartiger Materialien herzustellen.
Die Forschung wurde vom Center for Enhanced Nanofluidic Transport, einem vom US Department of Energy Office of Science gesponserten Energy Frontier Research Center, und dem Army Research Laboratory finanziert. Daraus kann man eine Lehre ziehen. Diese Art der Forschung erfordert erhebliche Mittel – mehr als private Unternehmen jemals rechtfertigen könnten. In einer Zeit, in der alles, was Regierungen tun, von manchen als Geldverschwendung und Beleidigung der persönlichen Freiheit abgestempelt wird, könnte dies der Moment sein, Ehre zu erweisen, wo Ehre fällig ist, ungeachtet Tucker Carlson und seiner Brigade antidemokratischer Räuber.
Das wegnehmen
Man weiß nie, wohin Dinge führen, die in Labors erstellt wurden. Der Klebstoff auf Haftnotizen war das Ergebnis eines gescheiterten Experiments, bei dem versucht wurde, fortschrittliche Klebstoffe herzustellen, die die Flügel von Flugzeugen mit dem Rumpf verbinden könnten. Könnte eine superharte, undurchlässige Beschichtung den Transport von Wasserstoff wirtschaftlich machbar machen? Könnte es die Salzkorrosion auf Autobahnbrücken beenden oder das Gewicht von Autos und Lastwagen reduzieren, damit sie Energie effizienter nutzen?
Wenn Sie sich gerne an der Börse versuchen, ist dies die Art von Idee, die geduldigen Anlegern, die in der Lage sind, einen langfristigen Ansatz zu verfolgen, erheblichen Wohlstand verschaffen könnte. Es ist eigentlich ziemlich aufregend, wenn man darüber nachdenkt. So viele Möglichkeiten und tausend mehr, an die noch niemand gedacht hat. Halten Sie Ihre Hüte fest. Das könnte größer sein als Tang!
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