Nieuw maliënkolderachtig materiaal zou de toekomst van pantsering kunnen zijn

Als opmerkelijk staaltje scheikunde heeft een onderzoeksteam onder leiding van de Northwestern University het eerste tweedimensionale (2D) mechanisch verbonden materiaal ontwikkeld.

Het materiaal op nanoschaal lijkt op de in elkaar grijpende schakels in maliënkolder en vertoont uitzonderlijke flexibiliteit en sterkte. Met verder werk is het veelbelovend voor gebruik in hoogwaardige, lichtgewicht kogelvrije vesten en andere toepassingen die lichtgewicht, flexibele en stevige materialen vereisen.

Publicatie op 17 januari in het tijdschrift Wetenschap, de studie markeert verschillende primeurs voor het veld. Het is niet alleen het eerste mechanisch in elkaar grijpende 2D-polymeer, maar het nieuwe materiaal bevat ook 100 biljoen mechanische bindingen per vierkante centimeter – de hoogste dichtheid aan mechanische bindingen ooit bereikt.

De onderzoekers produceerden dit materiaal met behulp van een nieuw, zeer efficiënt en schaalbaar polymerisatieproces.

“We hebben een compleet nieuwe polymeerstructuur gemaakt”, zegt William Dichtel van Northwestern, de corresponderende auteur van het onderzoek.

“Het lijkt op maliënkolder omdat het niet gemakkelijk kan scheuren, omdat elk van de mechanische bindingen een beetje vrijheid heeft om rond te glijden. Als je eraan trekt, kan het de uitgeoefende kracht in meerdere richtingen verspreiden. En als je het uit elkaar wilt scheuren, je zou het op heel veel verschillende plaatsen moeten breken. We blijven de eigenschappen ervan onderzoeken en zullen het waarschijnlijk jarenlang bestuderen.

Dichtel is Robert L. Letsinger hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences en lid van het International Institute of Nanotechnology (IIN) en het Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Madison Bardot, een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Dichtel en IIN Ryan Fellow, is de eerste auteur van het onderzoek.

Een nieuw proces bedenken

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd mechanisch gekoppelde moleculen met polymeren te ontwikkelen, maar ze vonden het vrijwel onmogelijk om polymeren over te halen mechanische bindingen te vormen.

Om deze uitdaging het hoofd te bieden, koos het team van Dichtel voor een geheel nieuwe aanpak. Ze begonnen met X-vormige monomeren – de bouwstenen van polymeren – en rangschikten deze in een specifieke, zeer geordende kristallijne structuur. Vervolgens lieten ze deze kristallen reageren met een ander molecuul om bindingen tussen de moleculen in het kristal te creëren.

“Ik geef Madison veel lof omdat ze met dit concept kwam voor het vormen van het mechanisch vergrendelde polymeer”, zei Dichtel. “Het was een idee met een hoog risico en een hoge beloning, waarbij we onze aannames over welke soorten reacties mogelijk zijn in moleculaire kristallen in twijfel moesten trekken.”

De resulterende kristallen bestaan ​​uit lagen en lagen van 2D-in elkaar grijpende polymeervellen. Binnen de polymeervellen zijn de uiteinden van de X-vormige monomeren gebonden aan de uiteinden van andere X-vormige monomeren. Vervolgens worden meer monomeren door de gaten ertussen geleid. Ondanks zijn stijve structuur is het polymeer verrassend flexibel.

Het team van Dichtel ontdekte ook dat het oplossen van het polymeer in oplossing ervoor zorgde dat de lagen van in elkaar grijpende monomeren van elkaar loslieten.

“Nadat het polymeer is gevormd, is er niet veel meer dat de structuur bij elkaar houdt”, zei Dichtel. “Dus als we het in oplosmiddel stoppen, lost het kristal op, maar elke 2D-laag blijft bij elkaar. We kunnen die afzonderlijke vellen manipuleren.”

Om de structuur op nanoschaal te onderzoeken, gebruikten medewerkers van Cornell University, onder leiding van professor David Muller, geavanceerde elektronenmicroscopietechnieken. De beelden onthulden de hoge kristalliniteitsgraad van het polymeer, bevestigden de in elkaar grijpende structuur en gaven de hoge flexibiliteit aan.

Het team van Dichtel ontdekte ook dat het nieuwe materiaal in grote hoeveelheden kan worden geproduceerd. Eerdere polymeren die mechanische bindingen bevatten, zijn doorgaans in zeer kleine hoeveelheden bereid met behulp van methoden die waarschijnlijk niet schaalbaar zijn. Het team van Dichtel daarentegen heeft een halve kilo van hun nieuwe materiaal gemaakt en gaat ervan uit dat zelfs grotere hoeveelheden mogelijk zijn naarmate hun meest veelbelovende toepassingen zich voordoen.

Het toevoegen van kracht aan taaie polymeren

Geïnspireerd door de inherente sterkte van het materiaal, voegden Dichtels medewerkers van Duke University, onder leiding van professor Matthew Becker, het toe aan Ultem. Ultem behoort tot dezelfde familie als Kevlar en is een ongelooflijk sterk materiaal dat bestand is tegen extreme temperaturen en zure en bijtende chemicaliën.

De onderzoekers ontwikkelden een composietmateriaal van 97,5% Ultem-vezels en slechts 2,5% van het 2D-polymeer. Dat kleine percentage verhoogde de algehele sterkte en taaiheid van Ultem dramatisch.

Dichtel voorziet dat het nieuwe polymeer van zijn groep een toekomst zou kunnen hebben als speciaal materiaal voor lichtgewicht kogelvrije vesten en ballistische stoffen.

“We hebben nog veel meer analyses te doen, maar we kunnen zien dat dit de sterkte van deze composietmaterialen verbetert”, zei Dichtel. “Bijna elk pand dat we hebben gemeten, was op de een of andere manier uitzonderlijk.”

Doordrenkt van geschiedenis

De auteurs hebben het artikel opgedragen ter nagedachtenis aan de voormalige Noordwest-chemicus Sir Fraser Stoddart, die in de jaren tachtig het concept van mechanische bindingen introduceerde. Uiteindelijk werkte hij deze bindingen uit tot moleculaire machines die op controleerbare manieren schakelen, roteren, samentrekken en uitzetten.

Stoddart, die vorige maand overleedontving de Nobelprijs voor scheikunde 2016 voor dit werk.

“Moleculen gaan niet zomaar vanzelf door elkaar heen, dus ontwikkelde Fraser ingenieuze manieren om in elkaar grijpende structuren te modelleren”, zegt Dichtel, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Stoddart aan de UCLA.

“Maar zelfs deze methoden zijn nog niet praktisch genoeg om te gebruiken in grote moleculen zoals polymeren. In ons huidige werk worden de moleculen stevig op hun plaats gehouden in een kristal, dat de vorming van een mechanische binding rond elk molecuul stimuleert.

“Deze mechanische verbindingen hebben dus een diepe traditie bij Northwestern, en we zijn verheugd om hun mogelijkheden te onderzoeken op manieren die nog niet mogelijk zijn geweest.”