Chemijos pasaulyje priversti polimerus (ilgas didelių molekulių grandines) sudaryti mechaninius ryšius savo struktūros viduje pasirodė itin sudėtinga. Skirtingai nuo cheminių ryšių, kuriuos sudaro atomų dalijimasis elektronais arba elektrostatinių jėgų poveikis, mechaniniai ryšiai susiję su fiziniu molekulių persipynimu viena su kita.
Tačiau dabar Šiaurės vakarų universitete (JAV) sukurtas pažangus metodas padėjo įveikti šį iššūkį. Šio universiteto mokslininkai iš X formos monomerų, kurie yra polimerų sudedamosios dalys, pagamino dvimačius lakštus. (Chemijoje dvimačiai objektai yra tokie, kuriuos sudaro tik vienas atomų sluoksnis). Monomerai buvo sudaryti iš molekulių, turinčių keturias ištemptas aromatines grupes, kurios suteikė jiems X formą.
Tada jie šiuos lakštus sluoksniavo į kristalinę struktūrą ir, naudodami cheminę medžiagą, vadinamą dialkildichlorosilanu, privertė visų X galus susijungti tarpusavyje. Daugiau sluoksnių privertė daugiau monomerų pasklisti ir susijungti tinklelyje, todėl susidarė daugybė kilpų, kurios visos susipynė į itin tvirtą tinklą, panašų į metalines grandinės grandis.
Mokslininkai teigia, kad naujoji medžiaga turi 100 trilijonų mechaninių ryšių viename kvadratiniame centimetre, todėl tai yra medžiaga, kurioje šių ryšių tankis yra didžiausias iš kada nors sukurtų.
„Mes sukūrėme visiškai naują polimero struktūrą, – sako tyrimo autorius Williamas Dichtelis iš Šiaurės vakarų universiteto. – Ji panaši į grandininius šarvus, nes negali lengvai plyšti, nes kiekvienas mechaninis ryšys turi šiek tiek laisvės judėti. Jei juos traukiame, jie gali išsklaidyti panaudotą jėgą keliomis kryptimis. O jei norėtumėte juos suplėšyti, turėtume juos sulaužyti daugelyje, daugelyje skirtingų vietų. Mes toliau tyrinėjame jų savybes ir tikriausiai dar ne vienerius metus juos tirsime“.
Sustiprinantis elementas
Atlikę eksperimentus su šia medžiaga, mokslininkai nustatė, kad, kitaip nei ankstesnes mechaniškai surištas medžiagas, ją galima gaminti didesniais kiekiais. Bandymų metu jie pagamino kilogramą medžiagos ir mano, kad įmanoma pagaminti dar didesnį kiekį.
Tirdami naujosios medžiagos praktinį pobūdį, W. Dichtelio bendradarbiai iš Diuko universiteto (JAV) pridėjo ją prie vadinamosios Ultem – labai stiprios medžiagos, panašios į kevlarą, galinčios atlaikyti smūgius, ėsdinančias chemines medžiagas ir ekstremalias temperatūras. Tyrėjai nustatė, kad vos 2,5 proc. naujosios medžiagos pridėjus į Ultem, stiprumo rodiklis, vadinamas tempimo modusu, padidėjo 45 proc.
„Turime atlikti dar daugybę analizių, tačiau galime pasakyti, kad tai pagerina šių kompozitinių medžiagų stiprumą, – apibendrino W. Dichtelis. – Beveik kiekviena mūsų išmatuota savybė buvo kažkuo išskirtinė.“ Pasak jo, dėl to naujoji medžiaga gali puikiai tikti kuriant naujus lengvus šarvus ar kitus balistinius audinius.
Dedikavo kolegai
Mokslininkai savo tyrimą, paskelbtą žurnale „Science“, skyrė serui Fraseriui Stoddartui – buvusiam Šiaurės vakarų universiteto kolegai chemikui, kuris 2016 m. gavo Nobelio chemijos premiją už savo darbą kuriant mechaninius ryšius.
„Molekulės pačios savaime neprasiskverbia viena pro kitą, todėl Fraseris sukūrė išradingų būdų susietoms struktūroms šablonizuoti, – teigia W. Dichtelis, dirbęs F. Stoddarto laboratorijoje Kalifornijos universiteto doktorantūroje. – Tačiau net ir šie metodai buvo nepakankamai praktiški, kad juos būtų galima naudoti didelėse molekulėse – pavyzdžiui, polimeruose. Mūsų dabartiniame darbe molekulės tvirtai laikomos kristale, o tai leidžia sukurti mechaninį ryšį aplink kiekvieną molekulę“.
„Tad šie mechaniniai ryšiai turi gilias tradicijas Šiaurės Vakarų universitete, ir mes džiaugiamės galėdami ištirti jų galimybes tokiais būdais, kurie dar nebuvo įmanomi“, – skelbia mokslininkas.
Parengta pagal „New Atlas“
