Створено гнучкий полімер, як молекулярна кольчуга (відео)

18 квітня 2025 р. 22:51

18 квітня 2025 р. 22:51

Дослідники Університету Вестлейка створили двовимірний механічно зв’язаний полімер, який на молекулярному рівні відтворює принцип середньовічної кольчуги, поєднуючи неймовірну гнучкість із винятковою міцністю.

Традиційні матеріали стикаються з неминучим компромісом. Вони бувають або міцними, але крихкими, або гнучкими, але слабкими. Цей новий полімер долає цю фундаментальну дилему. Він представляє принципово новий підхід до конструювання матеріалів.

Структура молекулярної броні

Новий матеріал має унікальну будову на молекулярному рівні. Він складається з трильйонів механічно зчеплених компонентів. На кожен квадратний сантиметр припадає близько 3 мільярдів таких з’єднань. Ця конструкція забезпечує виняткові механічні властивості.

Основу полімеру становлять так звані [c2]-ромашкові ланцюги. Кожен такий елемент складається з макроциклу та осі. Коли дві такі структури взаємопроникають, кожне кільце проходить через вісь іншого. Це створює механічне зчеплення без хімічних зв’язків.

Дослідження опубліковане в престижному журналі Nature Synthesis. Професор Чжичан Лю, який очолив роботу, назвав матеріал “молекулярною кольчугою”. Ця влучна аналогія підкреслює принцип дії матеріалу.

“Ми прагнули створити молекулярну клітку, але в результаті отримали стільники” , – розповідає професор Лю. Випадкове відкриття виявилося набагато ціннішим за початковий задум. Команда планувала отримати локальну структуру, але синтезувала безперервну мережу.

Унікальний метод синтезу

Створення матеріалу стало можливим завдяки новаторському підходу. Дослідники розробили двоетапний процес. Спочатку вони організували мономери в упорядковану структуру. Потім застосували фотоініційовану хімічну реакцію для фіксації зв’язків.

Чжен-Бін Тан, аспірант лабораторії Лю, виступив першим автором дослідження. Він пояснив складний процес самозбірки. Спочатку мономери утворюють димери. Ті об’єднуються в гексамери. Зрештою формується стільникова мережа з гексагональних призм.

Команда використала методи синхротронного випромінювання для вивчення структури. Вони виявили ієрархічний процес самозбірки. Додаткове молекулярне зшивання перетворило псевдо-структури в повністю зблоковану мережу. “Молекулярне зшивання in situ доводить, що полімер складається з мономерів, які взаємопов’язані між собою” , – підкреслив Тан.

Синтез кристалічної двовимірної [c2]ромашкової мережі сот. Автор: Kezhang Liang, Westlake University

Неймовірні властивості та перспективи

Особливість нового полімеру – його поведінка при розшаруванні. Об’ємні кристали можна розділити на ультратонкі шари. При цьому тонкі шари стають у 47 разів жорсткішими за вихідний матеріал. Це суперечить інтуїтивним уявленням про міцність тонких структур.

Зараз вчені тестують реакцію матеріалу на різні впливи. Вони вивчають його поведінку при нагріванні, під тиском і при зміні кислотності середовища. Особливо цікава можливість створення матеріалів, які твердіють при ударі.

Потенційні застосування охоплюють багато галузей. Новий полімер може стати основою для легкого захисного спорядження. Він перспективний для створення “розумних” броньованих систем. Можливе використання в медицині, робототехніці та електроніці.

“Уявіть собі броню, яка твердне при ударі” , – говорить Лю. “До цього ще багато років, але потенціал дуже великий” . Ця цитата вказує на далекосяжні перспективи нового матеріалу. Вона також підкреслює проміжний характер поточного відкриття.

Наука