Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

MIT’nin kimya mühendisleri, özgün bir polimerizasyon işlemi kullanarak çelikten daha güçlü olmasına rağmen plastik kadar hafif olan ve kolaylıkla üretilebilen yeni bir malzeme yaptılar.

Yeni malzeme ile tek boyutlu, spagetti benzeri zincirler oluşturan diğer tüm polimerlerin aksine, kendi kendine tabakalar halinde birleşen iki boyutlu bir polimerdir. Şimdiye kadar bilim insanları, polimerleri 2D tabakalar oluşturmak için indüklemenin imkânsız olduğuna inanıyorlardı.

MIT'de Kimya Mühendisliği Profesörü olan Kıdemli Yazar Michael Strano, böyle bir malzemenin araba parçaları veya cep telefonları için hafif ve dayanıklı bir kaplama veya köprüler ya da diğer yapılar için bir yapı malzemesi olarak kullanılabileceğini söylüyor.

Strano, "Plastikleri genellikle bir binayı desteklemek için kullanabileceğiniz bir malzeme olarak görmüyoruz, ancak bu malzemeyle yeni özellikleri mümkün kılabilirsiniz” dedi.

Yeni malzeme, levhalar halinde kendiliğinden birleşen ve araba parçaları veya cep telefonları için hafif; köprüler veya diğer yapılar için bir yapı malzemesi olacak kadar da dayanıklı bir kaplama gibi kullanılabilecek iki boyutlu bir polimerdir. Kaynak: polimer film araştırmacıların izniyle; Christine Daniloff, MIT

Tüm plastikleri içeren polimerler, monomer adı verilen yapı taşlarının zincirlerinden oluşur. Bu zincirler uçlarına yeni moleküller ekleyerek büyürler. Polimerler oluşturulduktan sonra enjeksiyon kalıplama kullanılarak su şişeleri gibi üç boyutlu nesnelere dönüştürülebilirler.

Bu alanda onlarca yıldır yapılan çalışmalar ile bu tür tabaka oluşturmanın imkânsız olduğu sonucuna varılmıştı. Bunun bir nedeni, büyüyen tabakanın düzleminden sadece bir monomer yukarı veya aşağı dönerse, malzemenin üç boyutlu olarak genişlemeye başlaması ve tabaka benzeri yapının kaybolmasıydı.

Bununla birlikte, yeni çalışmada Strano ve meslektaşları, poliaramid adı verilen iki boyutlu bir tabaka oluşturmalarına izin veren yeni bir polimerizasyon süreci fikri ile çıkageldiler. Monomer yapı taşları için, karbon ve nitrojen atomlarından oluşan bir halka içeren melamin adı verilen bir bileşik kullandılar. Doğru koşullar altında, bu monomerler iki boyutta büyüyerek diskler oluşturabilirler. Bu diskler, yapıyı çok kararlı ve güçlü kılan katmanlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bir arada tutularak üst üste yığılır.

Strano, "Spagetti benzeri bir molekül yapmak yerine, moleküllerin kendilerini iki boyutta birbirine bağlamasını sağladığımız tabaka benzeri bir moleküler düzlem yapabiliriz. Bu mekanizma,çözeltide kendiliğinden gerçekleşir ve malzemeyi sentezledikten sonra olağanüstü güçlü olan ince filmleri kolayca döndürerek kaplayabiliriz" dedi.

Malzeme çözelti içinde kendiliğinden bir araya geldiği için başlangıç ​​malzemelerinin miktarını basitçe artırarak büyük miktarlarda yapılabilir. Araştırmacılar, yüzeyleri 2DPA-1 olarak adlandırdıkları malzemenin filmleriyle kaplayabileceklerini gösterdiler.

Strano, "Bu ilerlemeyle çok daha güçlü, ancak son derece ince bir malzemeye dönüştürülmesi çok daha kolay olacak düzlemsel moleküllere sahibiz" diyor.

Araştırmacılar, yeni malzemenin elastik modülünün - bir malzemeyi deforme etmek için ne kadar kuvvet gerektiğinin bir ölçüsü - kurşun geçirmez camdan dört ila altı kat daha fazla olduğunu buldular. Ayrıca araştırmacılar, malzeme çeliğin yoğunluğunun yalnızca altıda biri kadar olmasına rağmen bu malzemenin kırılması için gereken kuvvet çeliğin kırılması için uygulanması gereken kuvvetin iki katı olduğunu buldular.

Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulu'nun dekanı Matthew Tirrell, yeni tekniğin "bu bağlı 2D polimerleri yapmak için çok yaratıcı bir kimya içerdiğini" söyledi.

Tirrell, "Bu yeni polimerlerin önemli bir yönü, çözelti içinde kolayca işlenebilmeleridir. Bu da yeni kompozit veya difüzyon bariyer malzemeleri gibi yüksek mukavemet/ağırlık oranının önemli olduğu çok sayıda yeni uygulamayı kolaylaştıracaktır" dedi.

2DPA-1'in bir diğer önemli özelliği de gaz geçirmez olmasıdır. Diğer polimerler, gazların geçmesine izin veren boşluklara sahip sarmal zincirlerden yapılırken yeni malzeme LEGO'lar gibi birbirine kilitlenen monomerlerden yapılmıştır ve moleküller aralarına giremez.

Strano, "Bu, su veya gazların geçmesini tamamen engelleyebilecek ultra ince kaplamalar oluşturmamıza izin verebilir. Bu tür kaplama, metalleri arabalarda ve diğer araçlarda veya çelik yapılarda korumak için kullanılabilir" dedi.

Strano ve öğrencileri şimdi bu özel polimerin nasıl 2D tabakalar oluşturabildiğini daha ayrıntılı olarak inceliyorlar ve başka türde yeni malzemeler yapmak için moleküler yapısını değiştirmeyi deniyorlar.

Kaynak: DOI: 10.1038/s41586-021-04296-3