Американські матеріалознавці навчилися синтезувати двовимірні полімери, які, на відміну від інших, здатні збиратися пошарово замість утворювати одномірні ланцюжки. Отриманий з меламіну двовимірний поліарамід має вшестеро меншу щільність, ніж сталь, однак майже вдвічі міцніший за неї. Спосіб виготовлення масштабований — матеріал самозбирається в розчині. Стаття доступна у Nature.
Плівки полімеру в отворах (b), а також в один шар (d) та у кілька (с). Strano et al. / Nature, 2022
У що збирають мономери?
Нашу сучасність доволі важко уявити без полімерів — високомолекулярних речовин, які складаються із повторюваних мономірних ланок. Як правило, ці ланки збираються в довгі ланцюжки, пов'язані один з одним за допомогою міжмолекулярних взаємодій. Однак після успіху графену як двовимірної модифікації вуглецю, утвореної шаром атомів вуглецю товщиною всього в один атом, створення двовимірного полімеру досі залишається мрією багатьох хіміків. Його поява стала б суттєвим прогресом для хімії зокрема та молекулярних наук загалом.
Хімічна структура двовимірного полімеру порівняно з графеном. A. Dieter Schlüter / Macromolecular Rapid Communications, 2022
У першу чергу це обумовлено зацікавленістю хіміків — якими характеристиками володітимуть шари товщиною в один мономер? А якщо вони будуть розміром у кілька квадратних сантиметрів, то чи можна їх буде віднести до єдиної макромолекули? А на скільки вони будуть механічно стійкими? Як взагалі виглядатимуть у них криві напруження і деформації? Чи знайдеться щось невідоме раніше у поведінці тріщин? Скільки сили потрібно буде прикласти, щоб зігнути такий матеріал? Все це закономірні питання до матеріалу, який матиме інакшу хімічну структуру.
Як створити двовимірний полімер?
Хіміки прагнуть отримати ковалентно пов'язану високоперіодичну молекулярну структуру завтовшки один мономер. «Молекулярний килим» (molecular carpet) — гарний термін для поняття двовимірного полімеру. Справжні двовимірні полімери матимуть товщину один мономер і правильну структуру.
Перші спроби синтезувати двовимірні полімери можна віднести до 1930-х років, коли хімікам вдалося організувати амфіфільні молекули на межі розділу фаз «вода — повітря». Згодом вчені почали отримувати двовимірні полімери різними способами, однак вони були хімічно нестабільними та мали погані механічні характеристики. Також і внутрішні мережеві структури отриманих шарів були нерегулярними, а отже термін «одиниця, що повторюється» — один з необхідних параметрів поняття двовимірного полімеру — незастосовний.
І великою проблемою у створенні двовимірних полімерів є те, що навіть незважаючи на те, що стратегії синтезу таких структур існують, тривимірний сферичний аналог зростає набагато швидше. Тобто тільки-но бажана молекулярна структура полімеризується, її швидко обжене вже знайома тривимірна, для створення якої достатньо лише одного обертання зв'язку приєднаного мономера. У своїй роботі дослідники Массачусетського технологічного інституту спробували обійти це обмеження та почали експериментувати з амідами.
Як хіміки зібрали мономери?
Гіпотеза авторів роботи полягає в тому, що сильні амідно-ароматичні зв'язки пригнітять внутрішньоструктурне обертання ланцюжків, тобто не дасть їм повернутися і вийти з площини. Вчені змішали меланін та тримезоїлхлорид у присутності піридину, а отриманий гель очистили та висушили у вакуумі, внаслідок чого і отримали свій двовимірний полімер, де молекули зібралися у наношари завдяки міцному міжшаровому водневому зв'язку.
Оскільки матеріал самозбирається в розчині, його можна виробляти у великих кількостях, просто збільшуючи кількість вихідних матеріалів. Створений матеріал вчені назвали поліарамідом. Середню молекулярну товщину вони оцінили у 3,69 ангстрема, а діаметр у 10,3 нанометра, що є визначальною ознакою двовимірної полімеризації.
Скануюча електронна мікроскопія отриманих плівок не виявила дефектів у структурі полімеру, а тест на газопроникність показав, що полімерні плівки пропускають газ приблизно у 22 рази гірше, ніж найбільш газонепроникні бар'єрні матеріали. Також вчені виявили, що модуль пружності нового матеріалу — необхідна для деформації матеріалу сила — досяг значення у 12,7 гігапаскаля, що значно вище, ніж у термопластів, зміцненої епоксидної смоли чи нейлону. А межа міцності нового матеріалу склала близько 488 мегапаскалей, що майже вдвічі більше, ніж у конструкційної сталі ASTM A36. При тому, що щільність полімеру складає приблизно одну шосту від такої у сталі.