スチールよりも強い軽量新素材

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MIT の化学技術者は、新しい重合プロセスを使用して、鋼よりも強く、プラスチックと同じくらい軽く、簡単に大量に製造できる新しい材料を作成しました。

この新しい材料は、一次元のスパゲッティ状の鎖を形成する他のすべてのポリマーとは異なり、シートに自己集合する二次元ポリマーです。 これまで科学者たちは、ポリマーを誘導して 2D シートを形成させることは不可能だと考えていました。

このような材料は、自動車部品や携帯電話の軽量で耐久性のあるコーティングとして、あるいは橋やその他の構造物の建築材料として使用できる可能性がある、とマサチューセッツ工科大学のカーボン・P・ダブス化学工学教授であり、本論文の主著者であるマイケル・ストラノ氏は言う。新しい研究。

「私たちは通常、プラスチックが建物を支えるために使用できるものであるとは考えていませんが、この材料を使用すると、新しいことが可能になります」と彼は言います。 「これには非常に珍しい特性があり、私たちはそれに非常に興奮しています。」

研究者らは、材料を生成するために使用したプロセスに関して 2 件の特許を申請しており、そのプロセスについて今日 Nature 誌に掲載される論文で説明しています。 MIT のポスドク Yuwen Zeng がこの研究の筆頭著者です。

二次元

すべてのプラスチックを含むポリマーは、モノマーと呼ばれる構成要素の鎖で構成されています。 これらの鎖は、その末端に新しい分子を追加することによって成長します。 ポリマーを形成したら、射出成形を使用して水筒などの 3 次元物体を成形できます。

ポリマー科学者は、ポリマーを二次元シートに成長させることができれば、非常に強力で軽量な材料が形成されるはずであるという仮説を長年立ててきました。 しかし、この分野での何十年もの研究の結果、そのようなシートを作成することは不可能であるという結論に至りました。 その理由の 1 つは、1 つのモノマーだけが成長シートの面から上または下に回転すると、材料が三次元に膨張し始め、シート状の構造が失われるためです。

しかし、新しい研究で、ストラノと彼の同僚は、ポリアラミドと呼ばれる二次元シートを生成できる新しい重合プロセスを考案しました。 モノマーの構成要素には、炭素原子と窒素原子の環を含むメラミンと呼ばれる化合物が使用されます。 適切な条件下では、これらのモノマーは二次元に成長し、ディスクを形成します。 これらのディスクは互いに積み重ねられ、層間の水素結合によって結合されているため、構造が非常に安定して強力になります。

「スパゲッティ状の分子を作る代わりに、分子を二次元で結びつけるシート状の分子平面を作ることができます」とストラノ氏は言う。 「このメカニズムは溶液中で自然に起こり、材料を合成した後は、非常に強い薄膜を簡単にスピンコートすることができます。」

この材料は溶液中で自己集合するため、出発材料の量を増やすだけで大量に製造できます。 研究者らは、2DPA-1と呼ばれる材料のフィルムで表面をコーティングできることを示した。

「この進歩により、平面状の分子が得られ、非常に強力でありながら非常に薄い材料を作るのがはるかに簡単になるでしょう」とストラノ氏は言う。

軽いけど強い

研究者らは、この新しい材料の弾性率（材料を変形させるのにどれだけの力が必要かという尺度）が防弾ガラスの4～6倍であることを発見した。 また、材料の密度が鋼の約 6 分の 1 しかないにもかかわらず、降伏強度、つまり材料を破壊するのに必要な力が鋼の 2 倍であることも発見しました。

シカゴ大学プリツカー分子工学学部のマシュー・ティレル学部長は、この新しい技術は「これらの結合した2Dポリマーを作るための非常に創造的な化学を具体化している」と述べている。

「これらの新しいポリマーの重要な側面は、溶液中で容易に加工できることです。これにより、新しい複合材料や拡散バリア材料など、高い強度対重量比が重要となる多くの新しい用途が容易になります」とティレル氏は述べています。研究。

2DPA-1 のもう 1 つの重要な特徴は、ガスを透過しないことです。 他のポリマーは、ガスが浸透できる隙間のあるコイル状の鎖で作られていますが、この新素材はレゴのように互いにロックするモノマーで作られており、分子がモノマーの間に入ることができません。

「これにより、水やガスの侵入を完全に防ぐことができる極薄のコーティングを作成できる可能性があります」とストラノ氏は言う。 「この種のバリアコーティングは、自動車やその他の車両の金属、または鉄骨構造物を保護するために使用できる可能性があります。」

ストラノ氏と彼の学生たちは現在、この特定のポリマーがどのようにして 2D シートを形成できるのかをより詳細に研究しており、その分子構成を変更して他の種類の新しい材料を作成する実験を行っています。

この研究は、米国エネルギー省科学局と陸軍研究所が後援するエネルギーフロンティア研究センターである強化ナノ流体輸送センター（CENT）から資金提供を受けました。

ポピュラーサイエンスの記者 Shi En Kim は、MIT の科学者が鋼鉄の強度を備えた新しいプラスチック材料をどのように作成したかにスポットライトを当てます。 「この物質は、車の仕上げなどの金属表面の保護コーティングとして、あるいは水を浄化するためのフィルターとして使用できる可能性がある」とキム氏は書いている。

Boston.com の記者 Marta Hill は、MIT の科学者が新しい重合技術を使用して、耐久性のあるコーティングと強力な構造要素の両方として機能する材料を作成した方法に焦点を当てています。 「我々は現在、材料を二次元ポリマーとして製造する全く新しい方法を手に入れました。つまり、新しい特性が得られることになります」とマイケル・ストラノ教授は言う。 「私たちが作ったこの材料は、たまたま非常に例外的でした。非常に強く、非常に軽いです。ポリマーとしては珍しいものです。」

CBSボストンの報道によると、マサチューセッツ工科大学の科学者らは、大量生産でき、車や電話のコーティング、さらには橋の建築材料としても使用できる、強力で軽量な新しい材料を開発した。 「私たちは通常、プラスチックが建物を支えるために使用できるものであるとは考えていませんが、この材料を使用すると、新しいことを可能にすることができます」とマイケル・ストラノ教授は言います。

Fast Companyの記者Mark Wilsonは、MITの研究者が、材料の体積がわずか6分の1で鋼鉄の2倍の強度を持つ新しいタイプの材料を開発したと書いている。 「この素材は、私たちが手に持つ道具の作り方から、私たちが住んでいる建物に至るまで、あらゆることに影響を及ぼします」とウィルソン氏は書いています。

WHDH は、鋼鉄と同じくらい強く、プラスチックと同じくらい軽い新素材を開発した MIT の科学者にスポットライトを当てています。 「これまでにない種類の強度を持つ全く新しいクラスの材料が開かれる可能性があるため、興奮しています」とマイケル・ストラノ教授は言う。

MITの研究者らは、鋼鉄と同じくらい強くてプラスチックと同じくらい軽い新素材を開発したとミシェル・シェンがUSA Todayに報じた。 「これは簡単に大量に製造でき、その用途は自動車や電話の軽量コーティングから橋などの巨大構造物のビルディングブロックまで多岐にわたります」とシェン氏は書いています。

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