Gli ingegneri del MIT creano un materiale innovativo più resistente dell’acciaio e leggero come la plastica.
Polimerizzare un materiale in due dimensioni, impossibile? per il MIT no! La nuova sostanza è il risultato di un’impresa davvero grandiosa da parte di questi ingegneri senza pari.
Usando un nuovo processo di polimerizzazione, gli ingegneri chimici del MIT hanno creato un nuovo materiale che è più forte dell’acciaio e leggero come la plastica, e può essere facilmente prodotto in grandi quantità.
A differenza di tutti gli altri polimeri, che formano catene monodimensionali simili a spaghetti, il nuovo materiale è un polimero bidimensionale che si auto-assembla in fogli. Fino ad ora, gli scienziati avevano creduto che fosse impossibile indurre i polimeri a formare fogli 2D.
Questo tipo di prodotto potrebbe essere usato come un rivestimento leggero e durevole per parti di automobili o telefoni cellulari, o come materiale da costruzione per ponti o altre strutture, dice Michael Strano, il Carbon P. Dubbs Professor di ingegneria chimica al MIT e autore senior del nuovo studio.
“Di solito non pensiamo alla plastica come a qualcosa che si potrebbe usare per sostenere un edificio, ma con questo materiale, si possono fare nuovi esperimenti“, dice. “Ha proprietà molto insolite e siamo molto entusiasti di questo”.
I ricercatori hanno depositato due brevetti sul processo che hanno usato per generare il materiale, che descrivono in un documento pubblicato su Nature il 2 febbraio 2022. Il postdoc del MIT Yuwen Zeng è l’autore principale dello studio.
Gli ingegneri del MIT e le due dimensioni
Tutti i polimeri, che includono tutte le materie plastiche, sono costituiti da catene di blocchi di costruzione chiamati monomeri. Queste catene crescono aggiungendo nuove molecole alle loro estremità. Una volta formati, i polimeri possono essere modellati in oggetti tridimensionali, come le bottiglie d’acqua, usando lo stampaggio a iniezione.
Per molto tempo gli scienziati che si occupano di polimeri hanno ipotizzato che se i polimeri potessero essere indotti a crescere in un foglio bidimensionale, dovrebbero formare materiali estremamente forti e leggeri.
Ciononostante, parecchi decenni di lavoro in questo settore portano alla conclusione che è impossibile creare tali fogli. Uno dei motivi è che se un solo monomero ruota verso l’alto o verso il basso, fuori dal piano del foglio in crescita, il materiale inizierà ad espandersi in tre dimensioni e la struttura simile al foglio verrà persa.
Tuttavia, grazie al nuovo progetto, Strano e colleghi hanno sviluppato un nuovo processo di polimerizzazione che permette loro di generare un foglio bidimensionale chiamato poliacrilammide.* Per i mattoni monomerici, usano un composto chiamato melamina, che contiene un anello di atomi di carbonio e azoto.
Creare un piano molecolare simile a un foglio
Nelle giuste condizioni, questi monomeri possono crescere in due dimensioni, formando dischi. Questi dischi si impilano uno sull’altro, tenuti insieme da legami idrogeno tra gli strati, che rendono la struttura molto stabile e forte.
” Anziché realizzare una molecola simile a spaghetti, possiamo creare un piano molecolare simile a un foglio, in cui le molecole si agganciano tra loro in due dimensioni”; sottolinea Strano. “Questo meccanismo avviene spontaneamente in soluzione, e dopo aver sintetizzato il materiale, possiamo tranquillamente rivestire film sottili che sono straordinariamente resistenti”.
Il materiale si auto-assembla nella soluzione e può essere prodotto in grandi quantità semplicemente incrementando il quantitativo di materiale iniziale. I ricercatori hanno dimostrato di poter rivestire le superfici con film del materiale, che chiamano 2DPA-1.
“Grazie a questo progresso, disponiamo di molecole planari su cui sarà molto più facile realizzare un materiale molto forte, ma estremamente sottile”; sostiene Strano.
Leggero ma forte
I ricercatori trovano che il modulo elastico del nuovo materiale – una misura di quanta forza ci vuole per deformare un materiale – è tra quattro e sei volte maggiore di quello del vetro antiproiettile. Inoltre hanno scoperto che la sua resistenza allo snervamento, o quanta forza ci vuole per rompere il materiale, è il doppio di quella dell’acciaio, anche se il materiale ha solo circa un sesto della densità dell’acciaio.
Matthew Tirrell, decano della Pritzker School of Molecular Engineering all’Università di Chicago, riferisce che la nuova tecnica “incarna una chimica molto creativa per realizzare questi polimeri 2D legati”.
” Un importante aspetto di questi nuovi polimeri è che sono facilmente lavorabili in soluzione, il che faciliterà numerose nuove applicazioni dove l’alto rapporto forza-peso è importante, come nuovi materiali compositi o barriere di diffusione”. Commenta Tirrell, che non è stato coinvolto nello studio.
Gli ingegneri del MIT creano nuovo materiale 2D, conclusioni
Ma un’altra caratteristica chiave del 2DPA-1 è la sua impermeabilità ai gas. Mentre altri polimeri sono fatti da catene arrotolate con lacune che permettono ai gas di filtrare, il nuovo materiale è fatto da monomeri che si bloccano insieme come i LEGO, e le molecole non possono arrivare tra loro.
“In questo modo potremmo creare dei rivestimenti ultrasottili che possono impedire completamente all’acqua o ai gas di passare”. Conclude Strano. “Questo tipo di rivestimento barriera potrebbe essere usato per proteggere il metallo nelle auto e altri veicoli, o le strutture in acciaio”.
Al momento Strano e gli altri studenti stanno esaminando più in dettaglio come questo particolare polimero sia in grado di formare fogli 2D, e stanno sperimentando di cambiare la sua composizione molecolare per creare altri tipi di materiali innovativi.
- *Il poliacrilammide è un polimero con la formula. Ha una struttura a catena lineare. PAM è altamente idroassorbente, formando un gel morbido quando idratato. Nel 2008 sono stati prodotti circa 750.000.000 di kg, principalmente per il trattamento delle acque e per l’industria della carta e dei minerali.
Immagine. Credito: film polimerico per gentile concessione dei ricercatori.
