강철보다 강한 새로운 경량 소재

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MIT 화학 엔지니어들은 새로운 중합 공정을 사용하여 강철보다 강하고 플라스틱처럼 가볍고 대량으로 쉽게 제조할 수 있는 새로운 소재를 만들었습니다.

새로운 소재는 스파게티 같은 1차원 사슬을 형성하는 다른 모든 폴리머와는 달리 시트로 자가 조립되는 2차원 폴리머입니다. 지금까지 과학자들은 고분자가 2D 시트를 형성하도록 유도하는 것이 불가능하다고 믿어왔습니다.

이러한 물질은 자동차 부품이나 휴대폰의 가볍고 내구성 있는 코팅재로 사용될 수 있으며, 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로 사용될 수 있다고 MIT 화학공학과 Carbon P. Dubbs 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Michael Strano는 말합니다. 새로운 연구.

"우리는 일반적으로 플라스틱을 건물을 지탱하는 데 사용할 수 있는 것으로 생각하지 않지만 이 재료를 사용하면 새로운 것을 가능하게 할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "그것은 매우 특이한 특성을 가지고 있으며 우리는 그것에 대해 매우 기대하고 있습니다."

연구자들은 물질을 생성하는 데 사용된 공정에 대해 두 개의 특허를 신청했으며, 이는 오늘 Nature에 게재된 논문에서 설명됩니다. MIT 박사후 연구원 Yuwen Zeng은 이번 연구의 주요 저자입니다.

2차원

모든 플라스틱을 포함하는 폴리머는 모노머라고 불리는 빌딩 블록의 사슬로 구성됩니다. 이 사슬은 끝 부분에 새로운 분자를 추가하여 성장합니다. 일단 형성된 폴리머는 사출 성형을 사용하여 물병과 같은 3차원 물체로 성형될 수 있습니다.

고분자 과학자들은 고분자가 2차원 시트로 성장하도록 유도할 수 있다면 매우 강하고 가벼운 물질을 형성해야 한다는 가설을 오랫동안 생각해 왔습니다. 그러나 이 분야에서 수십 년 동안 연구한 결과 그러한 시트를 만드는 것이 불가능하다는 결론이 나왔습니다. 그 이유 중 하나는 단 하나의 단량체가 성장하는 시트의 평면 밖으로 위나 아래로 회전하면 재료가 3차원으로 팽창하기 시작하고 시트형 구조가 손실되기 때문입니다.

그러나 새로운 연구에서 Strano와 그의 동료들은 폴리아라미드라고 불리는 2차원 시트를 생성할 수 있는 새로운 중합 공정을 생각해 냈습니다. 단량체 빌딩 블록의 경우 탄소와 질소 원자의 고리를 포함하는 멜라민이라는 화합물을 사용합니다. 적절한 조건에서 이러한 단량체는 2차원으로 성장하여 디스크를 형성할 수 있습니다. 이 디스크는 층 사이의 수소 결합으로 서로 결합되어 구조를 매우 안정적이고 강하게 만듭니다.

"스파게티 같은 분자를 만드는 대신 우리는 시트 같은 분자 평면을 만들 수 있으며, 여기서 분자가 2차원으로 서로 연결되도록 할 수 있습니다."라고 Strano는 말합니다. "이 메커니즘은 용액에서 자발적으로 발생하며 물질을 합성한 후에 매우 강한 박막을 쉽게 스핀 코팅할 수 있습니다."

용액 속에서는 물질이 자기조립되기 때문에 단순히 출발물질의 양을 늘리는 것만으로도 대량으로 만들 수 있다. 연구진은 2DPA-1이라고 불리는 물질의 필름으로 표면을 코팅할 수 있음을 보여주었습니다.

"이러한 발전으로 우리는 매우 강하지만 극도로 얇은 물질로 만드는 것이 훨씬 더 쉬운 평면 분자를 갖게 되었습니다."라고 Strano는 말했습니다.

가볍지만 강함

연구원들은 신소재의 탄성 계수(재료를 변형하는 데 필요한 힘의 척도)가 방탄 유리보다 4~6배 더 크다는 사실을 발견했습니다. 그들은 또한 재료의 밀도가 강철의 약 6분의 1에 불과함에도 불구하고 항복 강도, 즉 재료를 파손하는 데 필요한 힘이 강철의 두 배라는 사실을 발견했습니다.