Il nuovo materiale è un polimero bidimensionale, ricavato dalla melammina , che si autoassembla in fogli, a differenza di tutti gli altri polimeri, che formano catene unidimensionali simili a spaghetti. Fino ad ora, gli scienziati credevano fosse impossibile indurre i polimeri a formare fogli bidimensionali.
Un materiale del genere potrebbe essere utilizzato come rivestimento leggero e resistente per componenti di automobili o telefoni cellulari, oppure come materiale da costruzione per ponti o altre strutture, afferma Michael Strano, professore di ingegneria chimica presso il MIT e autore principale del nuovo studio.
"Di solito non pensiamo alla plastica come a qualcosa che si possa usare per sostenere un edificio, ma con questo materiale si possono realizzare cose nuove", afferma. "Ha proprietà davvero insolite e ne siamo molto entusiasti".
I ricercatori hanno depositato due brevetti relativi al processo utilizzato per generare il materiale, che descrivono in un articolo pubblicato oggi su Nature . Il ricercatore post-dottorato del MIT Yuwen Zeng è l'autore principale dello studio.
Due dimensioni
I polimeri, che includono tutte le materie plastiche, sono costituiti da catene di elementi costitutivi chiamati monomeri. Queste catene si sviluppano aggiungendo nuove molecole alle loro estremità. Una volta formati, i polimeri possono essere modellati in oggetti tridimensionali, come le bottiglie d'acqua, utilizzando lo stampaggio a iniezione.
Gli scienziati che studiano i polimeri hanno a lungo ipotizzato che, se i polimeri potessero essere indotti a crescere in un foglio bidimensionale, avrebbero dovuto formare materiali estremamente resistenti e leggeri. Tuttavia, decenni di lavoro in questo campo hanno portato alla conclusione che fosse impossibile creare tali fogli. Uno dei motivi era che se anche un solo monomero ruotasse verso l'alto o verso il basso, fuori dal piano del foglio in crescita, il materiale inizierebbe a espandersi in tre dimensioni e la struttura a foglio andrebbe persa.
Tuttavia, nel nuovo studio, Strano e i suoi colleghi hanno ideato un nuovo processo di polimerizzazione che permette loro di generare un foglio bidimensionale chiamato poliaramide. Per i monomeri di base, utilizzano un composto chiamato melammina, 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 l'uno sull'altro, tenuti insieme da legami a 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 a forma di foglio, dove le molecole si agganciano tra loro in due dimensioni", spiega Strano. "Questo meccanismo avviene spontaneamente in soluzione e, dopo aver sintetizzato il materiale, possiamo facilmente realizzare film sottili mediante spin-coating, 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 di questo materiale, che chiamano 2DPA-1.
"Grazie a questo progresso, disponiamo di molecole planari che saranno molto più facili da trasformare 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 da quattro a 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 il doppio di quello dell'acciaio, sebbene il materiale abbia solo circa un sesto della sua densità.
Un'altra caratteristica fondamentale del 2DPA-1 è la sua impermeabilità ai gas. Mentre altri polimeri sono costituiti da catene avvolte con spazi che permettono ai gas di filtrare, il nuovo materiale è costituito da monomeri che si legano tra loro come i LEGO, impedendo alle molecole di infiltrarsi.
"Questo potrebbe permetterci di creare rivestimenti ultrasottili in grado di impedire completamente il passaggio di acqua o gas", afferma Strano. "Questo tipo di rivestimento barriera potrebbe essere utilizzato per proteggere il metallo di automobili e altri veicoli, o strutture in acciaio."
Strano e i suoi studenti stanno ora studiando più approfonditamente come questo particolare polimero sia in grado di formare fogli 2D e stanno sperimentando la modifica della sua composizione molecolare per creare altri tipi di nuovi materiali.
La ricerca è stata finanziata dal Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un centro di ricerca sulle frontiere dell'energia sponsorizzato dall'Ufficio per la scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e dall'Army Research Laboratory.
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