科學家們發明了一種可以和鋼鐵相比擬的塑膠，它的強度和鋼鐵相當，但卻比鋼鐵更輕。塑膠，化學家有時稱其為聚合物，是由稱為單個分子單元的不斷重複組成的一類長鏈分子。與以前的聚合物不同，這種新材料完全是以膜的形式出現的，只有幾個奈米厚，它的密封性是市場上密封性最好塑膠的50倍。另一個值得注意的方面是這種新材料的合成很簡單，只需要廉價的材料就可以大批次生產。研究人員在2月2日的《自然》雜誌上發表了這個研究結果。
這種材料叫做聚醯胺，是由醯胺分子單元組成的網狀結構(醯胺是氮原子，氧原子，和碳原子構成的化學基團)。這類聚合物包括用於製造防彈背心的凱夫拉縴維和防火織物等。和凱夫拉爾纖維一樣，這種新材料中的聚醯胺分子透過氫鍵沿著鏈的長度相互連線，從而增強了材料的整體強度。“它們像尼龍搭扣一樣彼此粘在一起”，該研究的主要作者、麻省理工學院的化學工程師邁克爾·斯特拉諾說，“撕裂材料不僅需要折斷單個的分子鏈，還需要克服遍佈整個聚合物束的分子間氫鍵。”
由研究人員提供的聚合物薄膜(左)
此外，這種新型聚合物還可以自動形成片狀。這使得該材料易於加工，因為它可以製成薄膜或應用於薄膜表面的塗層。通常來說傳統的聚合物傾向於線上性鏈中生長，或者在三維空間中不斷地重複連線。但聚醯胺這種聚合物以獨特的二維形式生長並形成奈米薄片。“你能在一張紙上聚合嗎?事實證明，在大多數情況下你不能，直到我們的研究成果成功”，斯特拉諾說，“所以，我們發現了一種新機制。”
聚醯胺的平面結構的原因是，這種聚合物的合成涉及到一種稱為“自催化模板”的機制：在單體分子聚合的過程中，不斷增長的聚合物網路透過分子間的引力使得後增加的單體分子只形成二維結構，而不會在高度方向上堆積。研究人員證明，他們可以很容易地將這種聚合物在溶液中塗到晶圓上，從而製造出一英寸寬、厚度不到4奈米的層狀材料，這幾乎是普通辦公室用紙的百萬分之一厚。
傳統的聚合物傾向於線上性生長或者在三維空間中堆疊
為了量化這種聚合物材料的力學效能，研究人員測量了用細針在這種材料上戳洞所需的力。結果證明，聚醯胺比尼龍等傳統聚合物更堅硬，令人驚訝的是掰開這種超高強度聚醯胺所需的力量是掰開同樣厚度的鋼材所需力量的兩倍。根據斯特拉諾的說法，這種物質可以用作金屬表面的保護塗層，比如汽車表面的噴漆或者用作淨水器。在後一種功能中，理想的過濾膜需要很薄，但又足夠堅韌，能夠承受高壓，而不會洩漏出微小又令人討厭的汙染物到水中——這很適合聚醯胺材料。
在未來，斯特拉諾希望將聚合方法擴充套件到不同的聚合物，而不僅僅是聚醯胺。“聚合物在我們周圍隨處可見”，他說，“想象一下，將許多不同種類的聚合物，甚至是那些可以導電或發光的奇特聚合物，轉化成可以覆蓋各種表面的薄膜。”
本文參考Popsci文章，“This new material is as strong as steel—but lighter”，如有興趣還可查閱原文。
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