Kunststoffen zijn over het algemeen goed begrepen materialen. Niet zo sterk als de meeste metalen, maar vaak veel lichter, hebben deze door de mens gemaakte polymeren talloze toepassingen gevonden die een revolutie teweeg hebben gebracht in de manier waarop we leven. De eigenschappen van kunststoffen zijn in de loop der jaren op veel manieren verbeterd, waarbij composietmaterialen zoals glasvezel en koolstofvezel sterker en licht blijken te zijn dan de eenvoudige eigenschappen van alleen basispolymeren.
Een groep ingenieurs van MIT heeft echter gewerkt aan een revolutionair type polymeer dat meer sterkte belooft dan ooit tevoren en toch opmerkelijk licht van gewicht blijft. Het komt allemaal neer op de tweedimensionale moleculaire structuur van het materiaal, iets dat ooit als onbetaalbaar werd beschouwd in de wereld van de polymeerwetenschap.
2D is beter dan 1D
Gewoonlijk assembleren polymeren zichzelf tot lange eendimensionale ketens, waar meerdere kopieën van dezelfde moleculaire subeenheid, of monomeer, vele malen een keten vormen in wat vaak een macromolecuul wordt genoemd. Deze lange moleculen verstrengelen zich in bulk met zichzelf en met elkaar en vormen de polymeermaterialen die we kennen en waar we van houden.
De manier waarop monomeren gewoonlijk aan elkaar ketenen, heeft echter typisch alle pogingen verhinderd om een polymeerstructuur in twee dimensies te produceren. Als slechts het ene monomeer bij de verkeerde rotatie aan het andere hecht, zullen er ook andere monomeren op aansluiten, waardoor een rommelige 3D-structuur ontstaat in plaats van een netjes en opgeruimd 2D-vel.
Met wat zorgvuldige synthese blijkt dat een tweedimensionale moleculaire polymeerstructuur inderdaad mogelijk is. Volgens de onderzoekspaper gepubliceerd NATUUR in februari van dit jaar werd deze prestatie bereikt door het gebruik van melaminemoleculen als monomeereenheid. De werktheorie is dat het gebruik van amide-aromatische interacties in de synthesestappen verhinderde dat de melaminemoleculen uit het vlak roteren tijdens de koppelingsfase.
Het materiaal assembleert zichzelf in 2D-platen in oplossing, waardoor dunne films van grote sterkte kunnen worden gemaakt. Deze structuur heeft ook het unieke vermogen om ondoordringbaar te zijn voor gasmoleculen. De monomeren sluiten zo dicht op elkaar dat ze er gewoon niet doorheen kunnen komen.
Het resulterende materiaal is opmerkelijk in zijn eigenschappen; het tweedimensionale polymeer werd getest en heeft een verbazingwekkende vloeigrens van 976 MPa, bijna vier keer die van constructiestaal, ondanks een veel lagere dichtheid van slechts 1/6e zoveel. Ondertussen werd gemeten dat de elastische moduli ongeveer 30 tot 90 GPa was, aanzienlijk hoger dan traditionele kunststoffen die doorgaans variëren van 3-5 GPa. Dit betekent dat het materiaal veel stijver is en minder vervormt in het elastische regime in vergelijking met kunststoffen zoals polycarbonaat en nylon. Dit cijfer ligt veel dichter bij dat van metalen zoals aluminium, dat een elasticiteitsmodulus van 69 GPa heeft.
Natuurlijk zijn tot nu toe slechts kleine hoeveelheden van het 2D-polymeer in het laboratorium gemaakt. Het testen van de mechanische eigenschappen van het materiaal moest op nanoschaal gebeuren, met behulp van een proces genaamd AFM nano-inspringing. Hiermee kunnen microscopische monsters worden getest met behulp van een harde inkepingspunt op een atomaire krachtmicroscoop om de eigenschappen van het materiaal te meten.
Belangrijk is dat het polymeer zoals gesynthetiseerd mechanisch en chemisch stabiel is. De auteurs van het artikel suggereren dat het een groot potentieel heeft voor gebruik in composietmaterialen en voor gebruik als een lichtgewicht maar sterke beschermende coating. Het is in dit stadium onduidelijk hoe zo'n polymeer op macroschaal kan worden geproduceerd, en het zal waarschijnlijk enige tijd duren voordat dit materiaal in grote vellen te koop is bij uw plaatselijke plastic distributeur. Het laat echter zien dat de wetenschappelijke wereld nog steeds verbazingwekkende geheimen heeft die moeten worden onthuld en die ons nieuwe en prachtige materialen kunnen brengen die onze stoutste dromen te boven gaan!
