นักวิทยาศาสตร์สร้างโพลีเมอร์คล้ายเกราะซึ่งแข็งแกร่งกว่าเหล็ก แต่ยืดหยุ่นพอๆ กับผ้า

เมื่อใดก็ตามที่นึกถึงเสื้อเกราะ เราคาดหวังว่ามันจะหนักและไม่สะดวก อย่างไรก็ตาม มีรุ่นที่มีน้ำหนักเบาซึ่งใช้ 2Dวัสดุที่แข็งแกร่งกว่าเหล็กแต่ยืดหยุ่นได้เหมือนผ้า

หากคุณมีชุดเกราะที่ได้แรงบันดาลใจจากจดหมายของเชนแมน คุณอาจรู้สึกว่าการเคลื่อนไหวของคุณเบามาก เนื่องจากวัสดุที่ทำจากโซ่โมเลกุลที่ประสานกัน

วัสดุโพลีเมอร์ที่เชื่อมต่อกันด้วยกลไก 2 มิติคืออะไร

การค้นพบนี้อยู่ในแกนกลางของวัสดุโพลีเมอร์ที่สร้างขึ้นในโครงสร้างโมเลกุลพิเศษ ตรงกันข้ามกับโพลีเมอร์แบบดั้งเดิมซึ่งขึ้นอยู่กับพันธะโควาเลนต์ - การแบ่งปันอิเล็กตรอน - วัสดุนี้ใช้พันธะทางกลซึ่งเชื่อมต่อกันทางกายภาพเป็นลิงก์ของจดหมายลูกโซ่ ตามมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์นนักวิทยาศาสตร์ ทำให้วัสดุมีความแข็งแรงเป็นพิเศษแต่มีความยืดหยุ่นอย่างน่าประหลาดใจ และเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งความแข็งแกร่งและความสบาย เช่น ในชุดเกราะ

มันทำงานอย่างไร?

โครงสร้างโพลีเมอร์ 2 มิตินี้ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมในระดับนาโนซึ่งมีหน่วยวัดเป็นนาโนเมตร โมโนเมอร์ที่มีรูปร่าง X จะถูกจัดเป็นโครงสร้างผลึก จากนั้นคริสตัลเหล่านั้นจะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลที่สองเพื่อที่จะเกิดพันธะทางกลเข้าด้วยกัน

“เราสร้างโครงสร้างโพลีเมอร์ขึ้นมาใหม่ทั้งหมด” William Dichtel ผู้ร่วมวิจัยจากมหาวิทยาลัย Northwestern University อธิบายว่าโครงสร้างนี้คล้ายคลึงกับ chainmail

ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือแผ่นโมเลกุลโพลีเมอร์ 2 มิติที่เชื่อมต่อกัน ทำให้วัสดุมีความแข็งแรงและยืดหยุ่น

วัสดุนี้มีความโดดเด่นด้วยความหนาแน่นของพันธะที่โดดเด่น: มีพันธะเชิงกล 100 ล้านล้านพันธะต่อ 0.16 ตารางนิ้ว (1 ตารางเซนติเมตร) ความหนาแน่นของพันธะที่ทำลายสถิติดังกล่าวคือสิ่งที่ทำให้วัสดุนี้แข็งแกร่งกว่าโพลีเมอร์ทั่วไปมาก วัสดุแม้จะแข็งแรงแต่ก็มีความยืดหยุ่น ซึ่งทำให้สามารถดัดแปลงและใช้งานได้หลากหลาย

วัสดุที่ไม่เหมือนใคร: นวัตกรรมที่มีความเสี่ยงสูงและให้ผลตอบแทนสูง

หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดในการพัฒนาวัสดุนี้คือการหาวิธีที่จะแนะนำโพลีเมอร์ในการสร้างพันธะทางกล ความก้าวหน้าเกิดขึ้นเมื่อ Madison Bardot และทีมงานของเธอที่ Northwestern University ได้ค้นพบวิธีใช้โมโนเมอร์รูปตัว X เพื่อสร้างโครงสร้างผลึกที่เสถียร ด้วยการควบคุมการจัดเรียงนี้อย่างระมัดระวังและทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี พวกมันจึงสามารถสร้างพันธะทางกลภายในผลึกได้

กิซโมโดรายงานว่านี่ไม่ใช่ความสำเร็จเล็กๆ น้อยๆ เนื่องจากเป็นการตั้งคำถามเกี่ยวกับการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับปฏิกิริยาประเภทใดที่เป็นไปได้ในผลึกโมเลกุล ผลลัพธ์ที่ได้คุ้มค่ากับความเสี่ยง: วัสดุที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าโพลีเมอร์แบบดั้งเดิมทั้งในด้านความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่น

เราจะใช้โพลีเมอร์พิเศษนี้ได้ที่ไหน

ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งของโพลีเมอร์ที่มีพันธะทางกลก่อนหน้านี้ในการผลิตขนาดเล็ก ซึ่งสามารถนำไปใช้ในขนาดที่ใหญ่กว่ามากได้ ทีมงานได้รับวัสดุมากกว่าหนึ่งออนซ์ (มากกว่า 0.5 กิโลกรัม) และเชื่อว่าสามารถรับน้ำหนักที่มากกว่านั้นได้

ในระดับที่สามารถปรับขนาดได้ ประตูจะเปิดออกสำหรับวัสดุนี้ในตัวถังที่มีน้ำหนักเบาไปจนถึงสิ่งทอขีปนาวุธที่ใช้ในการใช้งานทางทหารและการป้องกันประเทศต่างๆ

พอลิเมอร์ชนิดเดียวกันนี้แม้ในปริมาณเล็กน้อยก็สามารถยกระดับคุณสมบัติของวัสดุอื่นๆ ได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น นักวิจัยสามารถสร้างวัสดุคอมโพสิตที่มีเส้นใย Ultem ต่ำเพียง 97.5 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นวัสดุที่ค่อนข้างเหนียว เช่น เคฟลาร์ และเพียง 2.5 เปอร์เซ็นต์ของโพลีเมอร์ 2 มิติใหม่

เมื่อมีการเพิ่มโพลีเมอร์ใหม่ ความแข็งแรงโดยรวมของคอมโพสิตจะเพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงถึงความสามารถในการเพิ่มความทนทานในวัสดุที่มีอยู่

วัสดุป้องกันแห่งอนาคต

วัสดุโพลีเมอร์ 2 มิติที่ปฏิวัติวงการนี้มีศักยภาพในการกำหนดสิ่งที่เราพิจารณาว่า "เบา" และ "แข็งแกร่ง" ใหม่ การผสมผสานระหว่างความยืดหยุ่นและความแข็งแกร่งที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับชุดเกราะขั้นสูง ผ้ากันกระสุน และผลิตภัณฑ์ป้องกันอื่นๆ

แม้ว่าจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์เพิ่มเติม แต่ผลลัพธ์เบื้องต้นก็มีแนวโน้มดี และนักวิจัยก็รู้สึกตื่นเต้นที่จะสำรวจความเป็นไปได้ของวัสดุที่น่าทึ่งนี้ต่อไป

ในอนาคตอันใกล้นี้ เราจะได้เห็นชุดเกราะที่ไม่เพียงแต่แข็งแกร่งขึ้น แต่ยังสวมใส่สบายและน้ำหนักเบามากขึ้น ให้การปกป้องที่ดีขึ้นโดยไม่กระทบต่อความคล่องตัว นี่อาจเป็นเกราะแห่งอนาคต—เบาเหมือนผ้า แต่แข็งแกร่งยิ่งกว่าเหล็ก