Il nuovo materiale leggero è più resistente dell'acciaio

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Utilizzando un nuovo processo di polimerizzazione, gli ingegneri chimici del MIT hanno creato un nuovo materiale che è più resistente dell’acciaio e leggero come la plastica e può essere facilmente prodotto in grandi quantità.

Il nuovo materiale è un polimero bidimensionale che si autoassembla in fogli, a differenza di tutti gli altri polimeri, che formano catene unidimensionali simili a spaghetti. Fino ad ora, gli scienziati avevano creduto che fosse impossibile indurre i polimeri a formare fogli 2D.

Un materiale del genere 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, afferma Michael Strano, professore di ingegneria chimica di Carbon P. Dubbs al MIT e autore senior dello studio. il nuovo studio.

"Di solito non pensiamo alla plastica come a qualcosa che potresti usare per sostenere un edificio, ma con questo materiale puoi consentire nuove cose", afferma. "Ha proprietà davvero insolite e ne siamo molto entusiasti."

I ricercatori hanno depositato due brevetti sul processo utilizzato per generare il materiale, che descrivono in un articolo apparso oggi su Nature. Il postdoc del MIT Yuwen Zeng è l’autore principale dello studio.

Due dimensioni

I polimeri, che comprendono tutta la plastica, sono costituiti da catene di elementi costitutivi 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 è che se solo un monomero ruota verso l'alto o verso il basso, 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, Strano e i suoi colleghi hanno ideato un nuovo processo di polimerizzazione che consente loro di generare un foglio bidimensionale chiamato poliarammide. Per gli elementi costitutivi del monomero, utilizzano 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 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.

"Invece di creare una molecola simile a uno spaghetto, possiamo creare un piano molecolare simile a un foglio, dove facciamo in modo che le molecole si uniscano insieme in due dimensioni", afferma Strano. "Questo meccanismo avviene spontaneamente in soluzione e, dopo aver sintetizzato il materiale, possiamo facilmente rivestire film sottili che sono straordinariamente resistenti."

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 pellicole del materiale, che chiamano 2DPA-1.

"Con questo progresso, disponiamo di molecole planari che saranno molto più facili da modellare in un materiale molto resistente, ma estremamente sottile", afferma Strano.

Leggero ma forte

I ricercatori hanno scoperto che il modulo elastico del nuovo materiale – una misura della forza necessaria per deformare un materiale – è tra quattro e sei volte maggiore di quello del vetro antiproiettile. Hanno anche scoperto che il suo limite di snervamento, ovvero la forza necessaria per rompere il materiale, è doppio di quello dell’acciaio, anche se il materiale ha solo circa un sesto della densità dell’acciaio.