Vật liệu nhẹ hơn nhựa và cứng hơn thép

Vật liệu do các chuyên gia ở Viện Công nghệ Massachussets phát triển đạt phản ứng trùng hợp theo hai chiều, điều vốn được cho là bất khả thi trong suốt thời gian dài. Phản ứng trùng hợp là quá trình trong đó những nguyên tử nhỏ gọi là monomer kết hợp với nhau, hình thành chuỗi dài như sợi mỳ spaghetti mang tên polymer. Các sợi polymer có thể tạo thành vật thể ba chiều như bình nước thông qua phương pháp đúc phun.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tạo thành công một vật liệu tự lắp ráp thành tấm hai chiều. Những tấm có tên polyaramide này xếp chồng lên nhau và được gắn kết nhờ liên kết hydro cực chắc, khiến vật liệu trở nên siêu bền. Ngoài dùng làm kính cường lực cho điện thoại, loại polymer trên còn có thể dùng làm lớp bảo vệ cho các bộ phận xe hoặc vật liệu xây dựng quy mô lớn.

"Chúng ta thường không nghĩ tới việc dùng nhựa để làm khung đỡ cho một công trình, nhưng với vật liệu mới, bạn có thể làm được nhiều điều", giáo sư Michael Strano, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. "Nó có nhiều đặc điểm khác thường và chúng tôi rất hào hứng về điều đó".

Polymer hình thành từ tấm hai chiều có thể dùng để sản xuất vật liệu siêu nhẹ. Tuy nhiên, nghiên cứu trong nhiều thập kỷ kết luận điều này là bất khả thi một phần do chỉ cần một monomer nằm chệch với mặt phẳng phát triển của cả tấm, toàn bộ vật thể sẽ biến dạng. Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu sử dụng hợp chất melamine, cấu tạo từ các vòng carbon và nitrogen, thường dùng để sản xuất bát đĩa nhựa.

Strano và cộng sự nhận thấy ở điều kiện phù hợp, monomer trong melamine có thể phát triển những đĩa hai chiều tí hon xếp chồng lên nhau, mỗi lớp được liên kết với nhau bởi vòng hydro, khiến nó cực kỳ bền chắc và ổn định.

Vật liệu có môđun đàn hồi lớn gấp 4 - 6 lần so với kính chống đạn. Trong khi đó, lực cần thiết để phá vỡ polymer (độ bền kéo) lớn gấp đôi so với thép dù mật độ chỉ bằng 1/6 mật độ của thép. Do khả năng tự lắp ráp, vật liệu có thể được sản xuất dễ dàng theo số lượng lớn chỉ qua tăng lượng nguyên liệu ban đầu.

Vật liệu mới được đặt tên là 2DPA-1, có thể dùng làm lớp phủ. Không giống những loại polymer khác chứa những chuỗi monomer xoắn tạo ra khe hở để khí lọt qua, monomer của 2DPA-1 liên kết chặt chẽ với nhau như gạch LEGO, nhờ đó vật liệu có khả năng chống thấm hoàn hảo, giúp bảo vệ kim loại ở xe hơi và các phương tiện khác hoặc cấu trúc bằng thép.

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quá trình chế tạo vật liệu mới. Hiện nay, họ đang tìm hiểu chính xác cách polymer tạo thành các tấm hai chiều để xem xét khả năng sản xuất những loại vật liệu mới hữu ích khác. Họ công bố nghiên cứu hôm 2/2 trên tạp chí Nature.