科学家们创造了塑料界的“钢铁”——兼具钢铁的强度，却没有任何它的笨重。化学家有时称聚合物为塑料，它们是一类由称为单体的短重复单元组成的链状大分子。与以前具有相同强度的聚合物不同，这种新材料完全以薄膜形式存在。它比市面上最不透气的塑料还要密封 50 倍。这种聚合物的另一个值得注意的方面是其合成非常简单。该过程仅需要廉价的材料，并且可以在室温条件下进行，因此可以大规模生产成仅纳米厚的薄大片。研究人员于 2 月 2 日在《Nature》杂志上报告了他们的研究结果。
这种材料称为聚酰胺，是由酰胺分子单元（酰胺是连接到氧键碳原子的氮原子化学基团）编织而成的网络。这类聚合物包括用于制造防弹背心的纤维凯夫拉（Kevlar），以及防火织物Nomex。与凯夫拉一样，这种新材料中的聚酰胺分子通过整个链的氢键相互连接，从而增强了材料的整体强度。
“它们像维可牢（Velcro）一样粘在一起，”麻省理工学院（MIT）的化学工程师、该研究的主要作者迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）说。撕裂这种材料不仅需要折断单个分子链，还需要克服遍布整个聚合物束的巨大分子间氢键。
此外，这种新型聚合物可以自动形成薄片。这使得材料易于加工，因为它可以制成薄膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物倾向于以线性链的形式生长，或者以三维方式分支并反复连接，而不考虑任何方向。但斯特拉诺的聚合物独特地以二维方式生长，形成纳米片。
“你能以片状形式进行聚合吗？事实证明，在大多数情况下，直到我们这项工作之前，你都不能，”斯特拉诺说。“所以，我们发现了一种新机制。”在这项最新工作中，他的团队克服了使这种二维聚合成为可能的障碍。
这种聚芳酰胺具有平面结构的原因是，聚合物合成涉及一种称为自催化模板化的机制：随着聚合物的增长并粘合单体结构单元，不断增长的聚合物网络会促使后续的单体仅以正确的方向结合，从而强制形成整体的二维结构。研究人员证明，他们可以很容易地将这种聚合物在溶液中涂覆到晶圆上，从而制成厚度小于四纳米的宽一英寸的层压板。这几乎相当于普通办公纸张厚度的百万分之一。
为了量化聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针刺穿悬浮材料薄片所需的力。这种聚酰胺确实比传统的聚合物（如用于制造降落伞的尼龙）更硬。值得注意的是，将这种超强聚酰胺撕裂所需的力是破坏相同厚度钢铁的两倍。据斯特拉诺说，这种物质可以用作金属表面的保护涂层，例如汽车的漆面，或者用作净化水的过滤器。在后一种功能中，理想的滤膜需要又薄又坚固，能够承受高压而不将微小的、令人讨厌的污染物渗漏到最终的饮用水中——这非常适合这种聚酰胺材料。
未来，斯特拉诺希望将这种聚合方法扩展到这种凯夫拉类似物之外的其他聚合物。“聚合物无处不在，”他说。“它们无所不能。”他补充说，想象一下将各种不同的聚合物，甚至是那些能够导电或发光的奇异聚合物，转化为可以覆盖各种表面的薄膜。“也许由于这种新机制，其他种类的聚合物现在也变得可以获得了，”斯特拉诺说。
斯特拉诺说，在一个被塑料困扰的世界里，社会有理由对另一种具有非凡机械性能的新型聚合物感到兴奋。这种聚芳酰胺如此耐用的事实意味着，我们有潜力用更少量的、更坚固的材料来替代日常用品，从涂层到袋子再到食品包装。从可持续发展的角度来看，斯特拉诺补充说，这种超强的二维聚合物是在让世界摆脱塑料方面朝着正确方向迈出的一步。
