Новый материал представляет собой двумерный полимер, который самостоятельно собирается в листы, в отличие от всех других полимеров, образующих одномерные цепочки, похожие на спагетти. До сих пор ученые считали, что формировать двумерные полимерные листы невозможно.
Ученые-полимерщики давно выдвинули гипотезу, что, если бы полимеры расположить в двумерный лист, то можно было бы образовывать чрезвычайно прочные и легкие материалы. Однако многие десятилетия работы в этой области не принесли положительных результатов. Одной из причин этого было то, что, если хотя бы один мономер будет смещаться вверх или вниз из плоскости растущего листа, материал начнет расширяться в трех измерениях, и листовая структура теряется.
Однако в новом исследовании удалось разработать новый процесс полимеризации, который позволяет создавать двумерный лист. В качестве мономерных строительных блоков использовали соединение под названием меламин, которое содержит кольцо из атомов углерода и азота. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски, образуя очень стабильную и прочную структуру.
Таким образом, вместо того, чтобы делать молекулу, похожую на спагетти, исследователи создали пластинчатую молекулярную плоскость, где обеспечили соединение молекул только в двух измерениях. Этот механизм происходит спонтанно в растворе, а после того, как материал синтезируется, из него получают чрезвычайно тонкие пленки, которые обладают необычайной прочностью.
Поскольку материал самособирается в растворе, его можно производить в больших объёмах, просто увеличивая количество исходных материалов. Исследователи показали, что они могут легко покрывать поверхности пленками разработанного материала, который они называют 2DPA-1.
Кроме того, было установлено, что модуль упругости нового материала — показатель силы, необходимой для деформации материала, — в четыре-шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла, а его предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, в два раза выше, чем у стали, хотя материал имеет лишь одну шестую плотности стали.
Еще одной ключевой особенностью нового материала является его газонепроницаемость. В то время как другие полимеры состоят из скрученных цепочек с промежутками, через которые просачиваются газы, новый материал состоит из мономеров, которые соединяются вместе, как LEGO, и молекулы не могут пройти между ними.
Это позволит создавать ультратонкие барьерные покрытия, которые могут полностью предотвратить проникновение воды или газов. Их можно использовать для защиты металлических поверхностей от коррозии, а также в качестве строительного материала для мостов или других высоконагруженных конструкциях.
