În ciuda faptului că sunt recunoscute ca fiind unele dintre cele mai puternice de pe Pământ, utilizarea materialelor 2D la întregul lor potențial s-a dovedit a fi o sarcină dificilă.

Materialele 2D, care sunt mai fine chiar și decât cea mai subțire foaie de ceapă, au atras o atenție semnificativă datorită atributelor lor mecanice remarcabile. Cu toate acestea, proprietățile dispar atunci când materialele sunt stratificate, limitând astfel aplicațiile lor practice.

„Gândiți-vă la un creion de grafit", spune Teng Li, profesor Keystone la Departamentul de Inginerie Mecanică al Universității din Maryland (UMD). „Miezul său este făcut din grafit, iar grafitul este compus din mai multe straturi de grafen, care s-a dovedit a fi cel mai rezistent material din lume. Cu toate acestea, un creion de grafit nu este puternic de fapt, grafitul este folosit chiar ca lubrifiant."

Acum, Li și colaboratorii săi de la Universitatea Rice și de la Universitatea din Houston au găsit o modalitate de a depăși această barieră, modificând cu atenție structura moleculară a polimerilor 2D.

Folosind simulări la nivel molecular, cercetătorii au studiat diferite grupuri funcționale - adică aranjamente de elemente moleculare - și apoi au proiectat doi polimeri 2D cu diferențe infime de structură. Apoi au studiat modul în care aceștia se comportă atunci când sunt stivuiți în straturi. S-a dovedit că micile diferențe structurale au condus la rezultate semnificativ diferite.

Primul polimer, la fel ca majoritatea materialelor 2D, a prezentat doar o interacțiune slabă între straturi, iar atât rezistența cât și elasticitatea se diminuau pe măsură ce se adăugau mai multe straturi. Nu este cazul celui de-al doilea, care „prezintă o interacțiune puternică între straturi și își păstrează proprietățile mecanice bune chiar și atunci când se adaugă mai multe straturi", a declarat unul dintre co-autorii principali.

Potrivit cercetătorilor, acest fenomen se datorează, cel mai probabil, legăturii de hidrogen. „Am constatat, în urma simulărilor noastre, că interacțiunile puternice dintre straturi în cel de-al doilea tip de polimer 2D rezultă din legătura de hidrogen semnificativ îmbunătățită între grupurile sale funcționale speciale". Aplicând descoperirile sale, echipa de cercetare a produs apoi un material ușor care nu numai că este de câteva ori mai rezistent decât oțelul, dar își păstrează proprietățile 2D chiar și atunci când este stivuit în mai multe straturi.

Aplicațiile potențiale sunt numeroase. „Polimerii 2D ar putea deveni membrane de filtrare excelente", au explicat cercetătorii. „Pentru un sistem de filtrare, structura grupului funcțional la nivelul porilor va fi foarte importantă. Pe măsură ce aveți, să zicem, apă murdară care călătorește printr-o membrană de polimer 2D, grupul funcțional e pori va capta doar impuritățile și va permite moleculei dorite să treacă. În acest proces, integritatea mecanică a membranei va fi foarte importantă. Acum avem o modalitate de a proiecta polimeri 2D multistrat foarte puternici, foarte rezistenți la fracturi, care ar putea fi candidați foarte buni pentru aplicații de filtrare cu membrană."

Informațiile obținute în urma cercetării ar putea duce, de asemenea, la progrese în proiectarea unei game largi de materiale, inclusiv ceramice și metale, au precizat oamenii de știință. 

__________________________________________________________________________________________________

Urmăriți emisiunile preferate pe protvplus.ro: