この新しい素材は鋼鉄と同じくらいの強度を持ちながら、より軽量です

科学者たちは、鋼鉄の強度を持ちながら重量はゼロのプラスチックを開発した。化学者がポリマーと呼ぶこともあるプラスチックは、長鎖分子の一種である。モノマーと呼ばれる短い繰り返し単位で構成されています。同じ強度を持つ従来のポリマーとは異なり、この新しい素材は膜状でのみ提供されます。また、市場で最も不浸透性のプラスチックよりも 50 倍気密性があります。このポリマーのもう 1 つの注目すべき点は、合成が簡単なことです。室内条件下で実行できるプロセスに必要なのは安価な材料のみで、このポリマーは、わずかナノメートルの厚さの大きなシートに大量に製造できます。研究者は、2 月 2 日のNature誌でこの結果を報告しました。

問題の素材はポリアミドと呼ばれ、アミド分子単位の網目状の構造です (アミドは酸素と結合した炭素原子に結合した窒素の化学基です)。このクラスのポリマーには、防弾チョッキの製造に使用される繊維ケブラーや耐火性繊維ノーメックスが含まれます。ケブラーと同様に、この新素材のポリアミド分子は、鎖全体にわたって水素結合によって互いに結びついており、それによって素材全体の強度が強化されています。

「それらはマジックテープのように互いにくっついています」と、マサチューセッツ工科大学の化学エンジニアで、論文の筆頭著者であるマイケル・ストラノ氏は言う。この材料を引き裂くには、個々の分子鎖を切断するだけでなく、ポリマー束全体に広がる広大な分子間水素結合を克服する必要がある。

さらに、この新しいポリマーは自動的にシート状に形成されます。このため、この材料は加工しやすく、膜状に加工したり、薄膜表面コーティングとして塗布したりできます。従来のポリマーは、直線状の鎖状に成長したり、方向を問わずに 3 次元的に繰り返し分岐して結合したりする傾向があります。しかし、ストラノのポリマーは 2D で独自に成長し、ナノシートを形成します。

「シート内で重合することはできるでしょうか？私たちの研究までは、ほとんどの状況では不可能でした」とストラノ氏は言う。「そこで、私たちは新しいメカニズムを発見しました。」この最近の研究で、彼のチームはこの2次元重合を可能にするためのハードルを克服した。

ポリアラミドが平面構造である理由は、ポリマー合成に自己触媒テンプレートと呼ばれるメカニズムが関与しているためです。ポリマーが長くなり、モノマーの構成要素がくっつくと、成長するポリマーネットワークが後続のモノマーを適切な方向にのみ結合させ、全体的な二次元構造を強化します。研究者は、このポリマーを溶液でウェハーに塗布して、厚さ 4 ナノメートル未満のインチ幅のラミネートを簡単に作成できることを実証しました。これは、通常の事務用紙の厚さのほぼ 100 万分の 1 です。

ポリマー材料の機械的特性を定量化するために、研究者らは、吊り下げられた材料のシートに細い針で穴を開けるのに必要な力を測定した。ポリアミドは確かに、パラシュートの製造に使用されるナイロンなどの従来のポリマーよりも硬い。特に、この超強力なポリアミドをねじって分離するには、同じ厚さの鋼鉄を破壊するよりも2倍の力が必要だった。ストラノ氏によると、この物質は、自動車の塗装などの金属表面の保護コーティング、または浄水用のフィルターとして使用できる可能性がある。後者の機能では、理想的なフィルター膜は薄くても、最終的な供給物に小さくて厄介な汚染物質を漏らさずに高圧に耐えられるほど丈夫である必要がありますが、このポリアミド材料はまさにその条件にぴったりです。

将来、ストラノ氏はこの重合法をケブラー類似体以外のさまざまなポリマーに拡張したいと考えています。「ポリマーは私たちの周りにあります」と彼は言います。「ポリマーはあらゆることを行います。」電気を伝導したり発光したりできる珍しいポリマーも含め、さまざまな種類のポリマーをさまざまな表面をコーティングできる薄い膜に変換することを想像してみてください、と彼は付け加えます。「この新しいメカニズムのおかげで、他の種類のポリマーも利用できるようになるかもしれません」とスタノ氏は言います。

プラスチックに包囲された世界では、機械的特性が普通とは程遠い新たなポリマーがまた登場し、社会が興奮するのも当然だとストラノ氏は言う。このポリアラミドが非常に耐久性が高いということは、コーティングからバッグ、食品包装まで、日常的に使用するプラスチックを、より丈夫な少量の材料で置き換えることができる可能性があるということだ。持続可能性の観点から、この超強力な二次元ポリマーは、世界をプラスチックから解放するための正しい方向への一歩だとストラノ氏は付け加える。