Let som plast og stærkere end stål: En milepæl for polymerisering

Illustration: MIT

Nyt polymermateriale, der kan samle sig selv i 2D-flader i kraft af kovalente bindinger, ser dagens lys på Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Det opsigtsvækkende ved det nye materiale er ifølge professor i kemisk- og biokemisk ingeniørkundskab på DTU, Anne Ladegaard Skov, at man tidligere ikke har haft succes med at lave polymerer i flader, men kun i endimensionelle kæder.

Kort forklaret er polymerer en kæde af monomerer – et enkelt atom eller et molekyle af eksempelvis kulstof og brint – som kan produceres ved at sammensætte monomererne i kovalente bindinger. De endimensionelle kæder findes naturligt overalt omkring os, men kan også produceres kemisk (som i produktionen af plast). Kæderne kan sættes sammen i gitre, men styrken af polymerstrukturen bliver stærkere, hvis monomererne er bundet i et todimensionelt netværk som materialet fra MIT.

Udfordringen i at lave en 2D-polymerstruktur er, at monomererne kan ødelægge strukturen, hvis de ikke binder sig i form af en flade, men i stedet vender sig i retning væk fra fladen.

»I stedet for at lave et spaghetti-agtigt molekyle kan vi lave en fladestruktur, hvor molekylerne binder sig i to dimensioner,« udtaler Michael Strano til MIT News.

Materialet med navnet 2DPA-1 har et elasticitetsmodul (et elastisk materiales stivhed), der er mellem fire og seks gange højere end glas, og en trækstyrke, der er dobbelt så høj som stål. Det gør 2DPA-1 ekstremt velegnet til at forstærke strukturer som bygninger, biler eller elektronik. På samme tid er de kovalente bindinger i materialet så stærke, at gas ikke kan gennemtrænge det.

Michael Strano, professor og kemiingeniør på Massachusets Institute of Technology (MIT), udtaler til instituttets eget nyhedsmedie, at forskningens resultater desuden er banebrydende i kraft af materialets kombination af lethed og styrke.

»Normalt forestiller man sig ikke, at plastik kan bruges til at stabilisere en bygning, men det nye materiale bryder med den forestilling,« siger Michael Strano.

Måske et stykke vej til opskalering

De monomerer, forskerne har anvendt, kaldes melamin, og er netop et molekyle af kulstof og brint. Melamin-monomererne har egenskaber der gør, at de kan sætte sig selv sammen i kovalente bindingerne i en vandig opløsning. Når melamin-monomererne er bundet sammen i polymerstruktur, kan forskerne lave ekstremt hårdføre og lette diske ved at spin-coate opløsningen.

Det betyder altså, at materialet kan ’producere sig selv’ i de rette, kemiske omstændigheder, hvilket – i teori og forsøgspraksis - gør det velegnet til produktion i stor skala.

Selvom Anne Ladegaard Skov fra DTU ser stort potentiale i den nye teknologi, understreger hun, at der kan være større udfordringer i at få produceret materialet i større skala, end det fremgår af artiklen fra MIT News:

»Det er jo nærmest uendeligt mange forbindelser, der skal ske i helt perfekt orden, for at materialet kan lave de kovalente bindinger gang på gang uden fejl,« siger Anne Ladegaard Skov.

Hun påpeger, at tabt materialestyrke i kraft af manglende kovalente bindinger i polymerfladerne dog kan afhjælpes ved at ligge fladerne i lag, som forskerne har gjort.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Der har eksisteret plastik i mange år, der er stærkere end stål. Flere plastiktyper er mere end 20 gange stærkere end stål. Det bruges blandt andet i snor til bjergbestigere, i fiskesnørre til fluefiskeri, i skudsikker tøj, i motorcykeltøj, og sejl til skibe. Nogle typer er lettere end vand - det er årsag til det bruges til fluefiskeri. Ulempen ved plastik er, at det nedbrydes af varme, og nogle typer nedbrydes af UV-lys. En dansk virksomhed laver fx. reb af plastikfibre, til erstatning af stål https://dynamica-ropes.com/cases/ - disse erstatter i nogle tilfælde stålwire. Plastik vil måske i fremtiden erstatte kevlar og stål. På youtube ses mange reklamer for UHMWPE tekstil, der hverken slides, skæres eller klippes.

  • 3
  • 12

Det lyder jo til, at forskellen ligger i, at de har været i stand til at lave plast, som har markant bedre styrke i 2 dimensioner fremfor blot 1 dimension. Et reb/wire er ofte mange fibre der går i samme retning. Dette væves så sammen, så det danner det ønskede produkt.

Som jeg læser artiklen lyder det også til, at de har formået at forstærke plasten ved at ændre dens molekylestruktur uden tilsætninger af fibreforstærkninger. Vil det så sige, at der kan opnå endnu en forstærkning af plasten ved eksempelvis at tilføje 30% carbonfibre eller tilsvarende?

Det lyder som et spændende materiale, men når bindingerne er stærkere, vil det vel også være tilsvarende længere om, at blive nedbrudt af naturen, eller hvad?

  • 0
  • 0

Fibermaterialer som fx. nylon, kulfiber eller træ er stærke i én dimension - bestemt af fiberretningen. Det her materiale, hvor monomererne laver bindinger på atomarskala i to retninger er stærkt i to dimensioner. Opbygningen med to-dimensionelle atomare bindinger ligner grafen og til dels det man ser i metalkrystaller (hvor materialet binder i tre dimensioner). Som nævnt ovenfor betyder det at man kan lave plader med styrke som stærke polymer-tove. Man kan tænke på forskellen mellem at flække et stykke træ og at hugge det over. Det første kan iblandt klares med et enkelt hug med en flækøkse - hvorimod processen at hugge træet over (på tværs af fiberene) er langt mere krævende. Det plastmateriale er altså som en "rodknold" og derfor en ny slags polymer. Spørgsmålet er så om det kan fremstilles i store stykker til en pris, der er atraktiv.

  • 9
  • 0

Jeg indrømmer det er lidt tricky at "se" forskellen på fibermaterialer og disse nye to-dimensionnelle polymerer.

I den kontekst jeg beskriver ovenfor er de vævede fibermåtter du tænker på en-dimensionelle materialer. Altså deres styrke er i én dimension, nemlig i fiberens retning. På makroskala kan man lægge materialet op på kryds og tværs, så man får to og tre- dimensionelle strukturer, men det er et niveau højere oppe.

Polymerer bundet kovalent i to dimensioner er altså en ny "byggeklods" i materialeverdenen.

Jeg skal ikke gøre mig klog på hvor det her materiales største potentiale ligger. En ting kan vi dog se med det samme:

En traditionel fiber har en endelig tykkelse. For at væve med den, og få styrke i to retninger, skal der minimum ligge to fibre over hinanden. De to fiberlag skal bindes sammen af en lim. Det færdige materiale har den enkelte fibers styrkeegenskaber i to retninger. Er fiberretningerne fx vinkelrette på hinanden er styrken i diagonalretningen afhængig af limens evne til at holde fibrene sammen. Sammenligner vi med et materiale som i artiklen ovenfor kan vi se at:

-Det nye materiale har styrke i to retninger allerede ved første lag.

-Det nye materiales styrke rundt i planets retninger er mere ensartet end det vævede.

  • 5
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten