Новый цепообразный полимер может стать броней будущего

Ученые Северо-Западного университета создали первый двумерный механически связанный материал с рекордной плотностью 100 триллионов механических связей на квадратный сантиметр. Достижение стало возможным благодаря новому масштабируемому методу полимеризации. Благодаря своей прочности и гибкости цепообразный наноматериал можно использовать для создания легкой брони и баллистических тканей. Добавление всего 2,5% этого полимера в Ultem, который по свойствам аналогичен кевлару, делает его значительно прочнее.

В течение многих лет ученые пытались создать механически связанные молекулы с полимерами, но заставить полимеры образовывать механические связи не удалось. Теперь исследователи применили новый подход. Они взяли Х-образные мономеры, из которых состоят полимеры, и сформировали из них особую аккуратную кристаллическую структуру. Затем они добавили к этим кристаллам еще одну молекулу, чтобы создать связи между молекулами в кристалле.

Полученный материал состоит из слоев двумерных листов полимера, в которых концы Х-образных мономеров соединены с концами других таких же мономеров, а между ними нанизаны дополнительные мономеры. В целом материал имеет 100 триллионов механических связей на квадратный сантиметр. Несмотря на свою жесткую структуру, полимер удивительно гибок. При растворении связанные мономеры отделяются друг от друга, что позволяет манипулировать отдельными листами.

Чтобы изучить структуру на наноуровне, ученые Корнелльского университета использовали передовые методы электронной микроскопии. Изображения показали высокую степень кристалличности полимера, подтвердили его взаимосвязанную структуру и отметили его гибкость.

Разработка может производиться в больших объемах. Предыдущие механически связанные полимеры обычно производились в очень небольших количествах с использованием методов, которые было трудно масштабировать. Команда уже изготовила полкилограмма нового материала и полагает, что это количество будет увеличиваться по мере появления перспективных применений.

Вдохновленные прочностью материала, исследователи из Университета Дьюка добавили его в Ultem. Ultem, по свойствам схожий с кевларом, представляет собой очень прочный материал, способный выдерживать экстремальные температуры, а также кислоты и щелочи. Ученые создали композит, состоящий на 97,5% из волокон Ultem и только на 2,5% из 2D-полимера. Это небольшое дополнение значительно увеличивает общую силу Ультема.

Руководитель исследований Уильям Дихтель считает, что новый полимер можно использовать в качестве специального материала для легкой брони и баллистических тканей. Он объяснил, что структура материала напоминает кольчугу: рвется нелегко, поскольку каждое механическое звено имеет некоторую свободу проскальзывания. Если материал тянут, сила распределяется в разные стороны. Чтобы порвать полимер, его необходимо разорвать во многих местах. Команда продолжает изучать свойства материала.