這種新型材料是一種二維聚合物，由三聚氰胺製成，它能自組裝成片狀結構，這與其他所有形成一維、類似義大利麵條狀鏈狀結構的聚合物截然不同。此前，科學家一直認為不可能誘導聚合物形成二維片層結構。
麻省理工學院 Carbon P. Dubbs 化學工程教授、新研究的資深作者 Michael Strano 表示，這種材料可以用作汽車零件或手機的輕質耐用塗層，或用作橋樑或其他建築結構的建築材料。
他說：“我們通常不認為塑料可以用來支撐建築物，但有了這種材料，就可以實現新事物。” “它具有非常不尋常的特性，我們對此感到非常興奮。”
研究人員已就其製備該材料的方法申請了兩項專利，相關內容已發表在今天刊登於《自然》雜誌的論文中。麻省理工學院博士後曾宇文是這項研究的第一作者。
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聚合物（包括所有塑膠）由稱為單體的構建塊鏈組成。這些鏈透過在其末端添加新分子而增長。一旦形成，聚合物就可以透過注塑成型製成三維物體，例如水瓶。
聚合物科學家長期以來一直假設，如果聚合物能夠被誘導生長成二維薄片，它們就會形成極其堅固、輕質的材料。然而，經過該領域數十年的研究，人們得出結論：製造這樣的薄片是不可能的。其中一個原因是，只要有一個單體向上或向下旋轉，超出生長片層的平面，材料就會開始在三維空間中膨脹，片狀結構就會消失。
然而，在新的研究中，斯特拉諾和他的同事提出了一種新的聚合工藝，使他們能夠產生一種稱為聚芳酰胺的二維薄片。對於單體構建塊，他們使用一種名為三聚氰胺的化合物，它含有碳原子和氮原子的環。在適當的條件下，這些單體可以在二維上生長，形成圓盤。這些圓盤相互堆疊，透過層間氫鍵結合在一起，使結構非常穩定和堅固。
斯特拉諾說：“我們不用製作意大利麵條狀的分子，而是可以製作片狀的分子平面，讓分子在二維空間中相互連接。” “這種機制在溶液中自發發生，在我們合成材料後，我們可以輕鬆地旋塗非常堅固的薄膜。”
由於該材料在溶液中自組裝，因此只需增加起始材料的數量即可大量生產。研究人員表明，他們可以在表面上覆蓋這種材料薄膜，他們稱之為 2DPA-1。
斯特拉諾說：“有了這一進步，我們就有了平面分子，它們將更容易被製成非常堅固但極薄的材料。”
輕而強
研究人員發現，新材料的彈性模量（衡量材料變形所需力量的指標）比防彈玻璃高出四到六倍。他們還發現，儘管這種材料的密度只有鋼的六分之一左右，但其屈服強度（即破壞材料所需的力）是鋼的兩倍。
2DPA-1 的另一個主要特性是它不透氣。其他聚合物由具有間隙的螺旋鏈構成，間隙允許氣體滲透，而新材料則由像樂高積木一樣鎖在一起的單體構成，分子無法進入它們之間。
斯特拉諾說：“這可以讓我們製造出能夠完全防止水或氣體滲透的超薄塗層。” “這種阻隔塗層可用於保護汽車和其他車輛中的金屬或鋼結構。”
斯特拉諾和他的學生目前正在更詳細地研究這種特殊的聚合物如何形成二維薄片，並且他們正在嘗試改變其分子組成以創造其他類型的新型材料。
該研究由美國能源部科學辦公室和陸軍研究實驗室贊助的能源前沿研究中心增強奈米流體傳輸中心 (CENT) 資助。
一項來自ScienceDaily的研究表明，一種新型輕質材料比鋼鐵更堅固：這種新物質的誕生源於一項被認為不可能的壯舉—二維材料聚合。
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