Un polimero bidimensionale leggero più resistente dell’acciaio

16 Febbraio 2022
Un polimero bidimensionale leggero più resistente dell'acciaio

Un polimero bidimensionale che si autoa-ssembla in fogli è il risultato di un’impresa ritenuta impossibile compiuta dal MIT, che ha così ottenuto una nuova sostanza leggera come la plastica ma molto resistente.

 

Utilizzando un inedito processo di polimerizzazione, gli ingegneri chimici del MIT hanno creato un materiale più resistente dell’acciaio, leggero come la plastica e facilmente producibile in grandi quantità. Finora, gli scienziati credevano fosse impossibile indurre i polimeri a formare fogli 2D. A differenza di tutti gli altri polimeri, che formano catene unidimensionali simili a spaghetti, la nuova sostanza è invece proprio un polimero bidimensionale che si autoassembla in fogli.

I polimeri, che comprendono tutta la plastica, sono costituiti da catene di blocchi di costruzione chiamati monomeri. Queste catene crescono aggiungendo nuove molecole alle loro estremità. Una volta formati, i polimeri possono essere modellati in oggetti tridimensionali, come bottiglie d’acqua, utilizzando lo stampaggio a iniezione.

Gli scienziati dei polimeri hanno a lungo ipotizzato che se i polimeri potessero essere indotti a crescere in un foglio bidimensionale, dovrebbero formare materiali estremamente resistenti e leggeri. Tuttavia, molti decenni di lavoro in questo campo hanno portato alla conclusione che era impossibile creare tali fogli. Uno dei motivi era che se un solo monomero ruota su o giù, fuori dal piano del foglio in crescita, il materiale inizierà ad espandersi in tre dimensioni e la struttura simile a un foglio andrà persa.

 

Tuttavia nel nuovo studio, di cui è autore principale Yuwen Zeng, postdoc del Massachusetts Institute of Technology, e autore senior Michael Strano, professore di ingegneria chimica al MIT di Carbon P. Dubbs è stato escogitato un nuovo processo di polimerizzazione che consente  di generare un foglio bidimensionale chiamato poliarammide. Per i blocchi costitutivi del monomero, usano un composto chiamato melamina, che contiene un anello di atomi di carbonio e azoto. Nelle giuste condizioni, questi monomeri possono crescere in due dimensioni, formando dei dischi. Questi dischi si impilano uno sopra l’altro, tenuti insieme da legami idrogeno tra gli strati, che rendono la struttura molto stabile e resistente.

Poiché il materiale si autoassembla in soluzione, può essere prodotto in grandi quantità semplicemente aumentando la quantità dei materiali di partenza. I ricercatori hanno dimostrato di poter rivestire le superfici con un film del materiale, che chiamano 2DPA-1.

 

Gli scienziati del MIT hanno depositato due brevetti sul processo utilizzato per generare la nuova sostanza, che descrivono in un articolo apparso su Nature. 

“Invece di creare una molecola simile a uno spaghetto, possiamo creare un piano molecolare simile a un foglio, dove otteniamo le molecole che si uniscono tra loro in due dimensioni”, afferma Strano. “Questo meccanismo si verifica spontaneamente in soluzione e, dopo aver sintetizzato il materiale, possiamo facilmente usarlo per rivestire con film sottili che sono straordinariamente resistenti.

Secondo Strano un tale materiale potrebbe essere utilizzato come rivestimento leggero e durevole per parti di automobili o telefoni cellulari, o come materiale da costruzione per ponti o altre strutture. “Di solito non pensiamo alla plastica come a qualcosa che potresti usare per supportare un edificio, ma con questo materiale puoi creare cose nuove”, dice. “Ha proprietà molto insolite e ne siamo molto entusiasti”.

 

I ricercatori hanno scoperto che il modulo elastico del nuovo materiale, una misura della forza necessaria per deformare un materiale, è dalle quattro alle sei volte maggiore di quello del vetro antiproiettile. Inoltre, il suo limite di snervamento, o quanta forza ci vuole per rompere il materiale, è il doppio di quello dell’acciaio, anche se il materiale ha solo circa un sesto della densità dell’acciaio.

“Con questo progresso, abbiamo molecole planari che saranno molto più facili da modellare in un materiale molto forte, ma estremamente sottile”, afferma Strano.

 

Matthew Tirrell, preside della Pritzker School of Molecular Engineering presso l’Università di Chicago, che non è stato coinvolto nello studio afferma che la nuova tecnica “incarna una chimica molto creativa per realizzare questi polimeri 2D legati”. “Un aspetto importante di questi nuovi polimeri è che sono facilmente lavorabili in soluzione, il che faciliterà numerose nuove applicazioni in cui è importante un elevato rapporto resistenza/peso, come nuovi materiali compositi o barriera alla diffusione”.

 

Un’altra caratteristica fondamentale di 2DPA-1 è che è impermeabile ai gas. Mentre altri polimeri sono costituiti da catene a spirale con spazi vuoti che consentono ai gas di filtrare, il nuovo materiale è costituito da monomeri che si bloccano insieme come i LEGO e le molecole non possono filtrare tra di loro.

“Questo potrebbe permetterci di creare rivestimenti ultrasottili che possono impedire completamente il passaggio di acqua o gas”, afferma Strano. “Questo tipo di rivestimento barriera potrebbe essere utilizzato per proteggere il metallo in automobili e altri veicoli o strutture in acciaio”.

 

Strano e i suoi studenti stanno ora studiando più in dettaglio come questo particolare polimero è in grado di formare fogli 2D e stanno sperimentando la modifica della sua composizione molecolare per creare altri tipi di nuovi materiali.

Lo studio è stato finanziato dal Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un centro di ricerca sulla frontiera dell’energia sponsorizzato dal Dipartimento della scienza dell’energia degli Stati Uniti e dal Laboratorio di ricerca dell’esercito.

 

 

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