Американские материаловеды научились синтезировать двумерные полимеры, которые, в отличие от других, способны собираться послойно вместо того, чтобы образовывать одномерные цепочки. Полученный из меламина двумерный полиарамид имеет в шесть раз меньшую плотность, чем сталь, однако почти вдвое прочнее ее. Способ изготовления масштабирован – материал самособирается в растворе. Статья доступна в Nature.

Нашу современность довольно трудно представить без полимеров высокомолекулярных веществ, состоящих из повторяющихся мономерных звеньев. Как правило, эти звенья собираются в длинные цепочки, связанные друг с другом посредством межмолекулярных взаимодействий. Однако после успеха графена как двумерной модификации углерода, образованной слоем атомов углерода толщиной всего в один атом, создание двумерного полимера до сих пор остается мечтой многих химиков. Его появление стало бы существенным прогрессом для химии в частности и молекулярных наук в целом.

В первую очередь, это обусловлено заинтересованностью химиков - какими характеристиками будут обладать слои толщиной в один мономер? А если они будут размером в несколько квадратных сантиметров, то можно ли их отнести к единой макромолекуле? А насколько они будут механически стойкими? Как вообще будут выглядеть у них кривые напряжения и деформации? Найдется ли что-нибудь неизвестное ранее в поведении трещин? Сколько сил нужно будет приложить, чтобы согнуть такой материал? Все это закономерны вопросы к материалу, который будет иметь другую химическую структуру. Как создать двумерный полимер?

Химики стремятся получить ковалентно связанную высокопериодическую молекулярную структуру толщиной в один мономер. «Молекулярный ковер» (molecular carpet) – хороший термин для понятия двумерного полимера. Настоящие двумерные полимеры будут иметь толщину в один мономер и правильную структуру.

Первые попытки синтезировать двумерные полимеры можно отнести к 1930-м годам, когда химикам удалось организовать амфифильные молекулы на грани раздела фаз «вода - воздух». Впоследствии ученые стали получать двумерные полимеры разными способами, однако они были химически нестабильны и имели плохие механические характеристики.

Также и внутренние сетевые структуры полученных слоев были нерегулярными, а значит термин «повторяющаяся единица» - один из необходимых параметров понятия двумерного полимера - неприменим. И большой проблемой в создании двумерных полимеров является то, что, даже несмотря на то, что стратегии синтеза таких структур существуют, трехмерный сферический аналог растет гораздо быстрее. То есть только желаемая молекулярная структура полимеризуется, ее быстро обгонит уже знакомая трехмерная, для создания которой достаточно одного вращения связи присоединенного мономера.

В своей работе исследователи Массачусетского технологического института попытались обойти это ограничение и начали экспериментировать с амидами. Как химики собрали мономеры?

Гипотеза авторов работы состоит в том, что сильные амидно-ароматические связки угнетают внутриструктурное вращение цепочек, то есть не даст им вернуться и выйти из плоскости. Ученые смешали меланин и тримезоилхлорид в присутствии пиридина, а полученный гель очистили и высушили в вакууме, в результате чего получили свой двумерный полимер, где молекулы собрались в нанослои благодаря прочной межслойной водородной связи. Поскольку материал самособирается в растворе, его можно производить в больших количествах, просто увеличивая количество исходных материалов.

Созданный материал учёные назвали полиарамидом. Среднюю молекулярную толщину они оценили в 3,69 ангстрема, а диаметр 10,3 нанометра, что является определяющим признаком двумерной полимеризации. Сканирующая электронная микроскопия полученных пленок не выявила дефектов в структуре полимера, а тест на газопроницаемость показал, что полимерные пленки пропускают газ примерно в 22 раза хуже, чем наиболее газонепроницаемые барьерные материалы.

Также ученые обнаружили, что модуль упругости нового материала - необходимая для деформации материала сила - достиг значение 12,7 гигапаскаля, что значительно выше, чем у термопластов, укрепленной эпоксидной смолы или нейлона. А предел прочности нового материала составил около 488 мегапаскалей, что почти вдвое больше, чем у конструкционной стали ASTM A36. При том, что плотность полимера составляет примерно одну шестую от таковой в стали.