MIT의 화학 엔지니어들은 혁신적인 중합 공정을 사용하여 강철보다 강하면서도 플라스틱만큼 가볍고 대량 생산이 쉬운 새로운 소재를 개발했습니다.

새로운 소재는 스스로 조립하여 시트를 만드는 2차원 폴리머입니다. 종종 중합되어 길고 1차원적인 스파게티 같은 사슬을 형성하는 다른 모든 고분자와는 달리, 과학자들은 지금까지 고분자가 2차원 시트를 형성하도록 유도하는 것이 불가능하다고 믿어 왔습니다.

이번 새로운 연구 작업의 주요 책임자이자 MIT 화학공학과 교수인 마이클 스트라노(Michael Strano)는 과거에는 사람들이 일반적으로 플라스틱이 건축 구조 재료로 사용될 수 있다고 생각하지 않았다고 말했습니다. 하지만 이 새로운 재료를 사용하면 새로운 것이 창조될 수 있습니다. 이 새로운 소재는 독특하고 흥미로운 특성을 갖고 있어 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로 사용될 뿐만 아니라 자동차 부품이나 휴대폰의 가볍고 내구성이 뛰어난 코팅재로 사용될 수 있습니다.

연구진은 물질 생성 과정에 대해 2건의 특허를 출원했고, 그 결과는 네이처 저널에 논문으로 게재됐다. MIT 박사후 연구원 Yuwen Zeng은 연구의 주요 저자입니다.

2차원 재료

모든 플라스틱을 포함한 폴리머는 반복적으로 사슬로 중합되는 모노머로 구성된 구조 단위로 구성됩니다. 이러한 사슬은 끝에 새로운 빌딩 블록을 지속적으로 추가하여 긴 사슬을 형성합니다. 중합 공정이 완료되면 폴리머를 사출 성형하여 물병과 같은 3차원 물체를 만들 수 있습니다.

재료 과학계에서는 오랫동안 다음과 같은 가설이 있었습니다. 고분자를 동축으로 만들어 2차원 시트로 만들 수 있다면 매우 강하고 가벼운 재료를 형성해야 한다는 것입니다. 그러나 해당 분야에서 수십 년간의 연구 끝에 과학자들은 그러한 물질이 불가능하다는 결론을 내렸습니다. 중요한 이유는 중합 과정에서 하나의 단량체가 2차원 평면을 넘어 위쪽 또는 아래쪽으로 회전하는 한 재료가 3차원으로 팽창 및 성장하여 시트형 구조가 손실된다는 것입니다.

그러나 이번 새로운 연구에서 Strano와 그의 동료들은 폴리아라미드라고 불리는 2차원 시트를 생산할 수 있는 새로운 중합 공정을 제안했습니다. 단량체 구조 단위는 탄소와 질소 원자의 고리를 포함하는 멜라민이라는 화합물을 사용합니다. 적절한 조건에서 이 단량체는 2차원으로 성장하여 디스크 모양의 물질을 형성할 수 있습니다. 디스크는 서로 겹쳐져 있고 층 사이의 수소 결합으로 서로 결합되어 구조가 매우 안정적이고 튼튼합니다.

스트라노는 새로운 중합 공정이 과거 파스타 같은 긴 분자 사슬을 만드는 대신 시트 같은 분자 표면을 만들 수 있어 자동으로 2차원 규모로 분자 표면을 연결할 수 있다고 말했다. . 이러한 중합 메커니즘은 용액 내에서 자동으로 일어나며, 물질이 중합되면 쉽게 스핀코팅되어 매우 강한 막을 형성할 수 있습니다.

용액 속에서 재료가 자기조립되기 때문에 단순히 출발물질의 양을 늘리는 것만으로도 대규모 제조가 가능하다. 연구진은 이 소재 필름을 다른 물체 표면에 코팅할 수 있으며 소재 등급은 2DPA-1이라고 밝혔다.

스트라노는 이러한 과학 연구 작업의 진전으로 인류는 2차원 고분자를 가지게 되었고, 이를 통해 매우 강하고 극도로 얇은 신소재를 보다 쉽게 ​​만들 수 있을 것이라고 말했다.

경량 및 고강도

연구진의 추가 연구에 따르면 신소재의 탄성 계수, 즉 소재를 변형하는 데 필요한 힘이 4~6배 더 높은 것으로 나타났습니다. 방탄유리보다 또한 재료의 밀도는 강철의 1/6에 불과하지만 항복 강도(재료를 파손하는 데 필요한 힘)는 강철의 두 배입니다.

시카고 대학교 프리츠커 분자공학과 학장인 매튜 티렐(Matthew Tirrell)은 이 새로운 기술이 "이러한 상호 연결된 2차원 폴리머를 만드는 데 있어 매우 창의적인 화학적 접근 방식을 반영한다"고 말했습니다.

Tirrell은 이 새로운 폴리머를 형성할 수 있는 중요한 이유는 재료가 비강도가 좋기 때문에 새로운 복합재와 같은 많은 새로운 응용이 촉진될 것이라고 말했습니다. 또는 액체 등의 확산을 방지하는 막 재료.

2DPA-1의 또 다른 주요 특징은 통기성이 없다는 점이다.

다른 고분자 재료는 일반적으로 가스가 스며들 수 있도록 분자 사이에 틈이 있는 긴 코일형 사슬로 만들어집니다. 그러나 새로운 물질은 레고 벽돌처럼 서로 꼭 맞는 단량체로 만들어졌으며 가스 분자는 그 사이를 통과할 수 없습니다.

이 특성을 이용하면 물이나 가스의 통과를 완전히 차단하는 초박형 코팅을 만들 수 있습니다. 이 차단 코팅은 자동차 및 기타 장비에 사용되는 금속 구조물의 표면을 보호하는 데 사용할 수 있습니다.

Strano 연구팀은 이 특수 폴리머가 2차원 시트를 형성할 수 있는 메커니즘에 대해 보다 자세한 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 연구자들은 분자 구성을 변경하여 다른 유형의 새로운 물질을 만들기 위해 노력하고 있습니다.

이 연구는 미국 에너지부 산하 과학부 산하 강화 나노유체 수송 센터(CENT)와 미 육군 연구소의 자금 지원을 받았습니다. (첸지청)